DE4137839A1

DE4137839A1 - Verfahren zum anbringen einer erosionsschutzschicht

Info

Publication number: DE4137839A1
Application number: DE4137839A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Luster
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1991-11-16
Filing date: 1991-11-16
Publication date: 1993-05-19

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Aufbringen einer Erosionsschutzschicht gemäß Patentanspruch 1 und von einer Turbinenschaufel gemäß Patentanspruch 3.

Aus der DE-OS 39 05 347 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Erosionsschutzschicht bekannt. Mit diesem Verfahren werden Turbinenschaufeloberflächen gegen Erosion infolge von auftreffenden Partikeln, beispielsweise Wassertropfen, ge schützt. Bei diesem Verfahren werden Turbinenschaufeln aus legiertem Stahl an der Oberfläche durch Laser- oder Elek tronenstrahlen so erhitzt, daß sich in diesem Bereich das Gefüge der Turbinenschaufeln ändert, so daß eine harte, korrosionsbeständige Oberfläche entsteht.

Turbinenschaufeln sind im Betrieb großen Kräften ausgesetzt. Ihre Standfestigkeit ließe sich steigern, wenn sie aus leichterem und trotzdem erosionsfesten Material hergestellt werden könnten.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zum Aufbringen einer Erosions schutzschicht zu schaffen, welches den Einsatz von leichteren Turbinenschaufeln erlaubt.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentli chen darin zu sehen, daß infolge der Gewichtsreduzierung der Turbinenschaufeln beispielsweise eine höhere Turbinendrehzahl und damit auch ein deutlich höherer Wirkungsgrad der Turbine erreicht werden kann. Die aufgebrachte Stahlschicht kann aus vergleichsweise teuerem und hochwertigem Stahl gefertigt wer den, ohne die Gestehungskosten der Turbine in wirtschaftlich nicht sinnvolle Bereiche ansteigen zu lassen.

Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Als besonders wirtschaftlich erweisen sich Turbinenschaufeln aus Aluminiumlegierungen, die durch Zusätze erosionsfest aus gebildet werden, so daß eine separat aufgebrachte Erosions schutzschicht nicht nötig ist.

Als Kern einer Turbinenschaufel wird ein Rundling aus einer Aluminiumlegierung vorgesehen. Dieser Rundling wird in ein Rohr aus einer erosionsfesten Stahllegierung, beispielsweise St 12 T, eingebracht. Anschließend werden der Rundling und das Rohr miteinander verpreßt zu einem monolithischen Block. Dieser Block wird in einen Extruder eingebracht, erhitzt und in bekannter Weise extrudiert. Beim Extrudieren entsteht ein Rohling, der der Form einer Turbinenschaufel angenähert ist. Dieser Rohling wird danach durch Schmieden in die gewünschte endgültige Form gebracht. Dem Schmiedevorgang kann noch ein Härtevorgang folgen, bei welchem die Erosionsbeständigkeit der Stahllegierung erhöht wird. Es ist auch möglich, zuerst den Schaufelfuß an die Turbinenschaufel anzuschweißen und danach den Härtevorgang durchzuführen.

Als Kern kann auch ein gesinterter Rundling verwendet werden, der aus pulverförmigen Partikeln einer Aluminiumlegierung gepreßt und gesintert wurde. Aufgrund der Verwendung von Sintermaterial kann ein mechanisch besonders festes Gefüge im Innern der Turbinenschaufel erzielt werden.

Ferner ist es möglich, pulverförmige Partikel einer Alumini umlegierung ohne sie vorher zusammen zu sintern, in das Rohr aus der erosionsfesten Stahllegierung einzubringen. Der Sin tervorgang erfolgt dann während des Erhitzens vor dem Extru dieren und während des eigentlichen Extrudierungsvorganges. Durch dieses Vorgehen wird ein sehr homogenes und festes Ge füge im Innern der Turbinenschaufel erreicht.

Für besondere Anwendungen ist es auch möglich, Turbinenschau feln aus Aluminiumlegierungen ohne eine Erosionsschutzschicht herzustellen. Die Erosionsfestigkeit derartiger Legierungen läßt sich durch bestimmte Zusätze gezielt steigern. Wird der Legierung 2124 beispielsweise SiC zugesetzt im Bereich von 15 bis 25 Volumenprozent, so wird die Erosionsfestigkeit der aus diesem Material hergestellten Turbinenschaufeln wesentlich gesteigert. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Zusatz von 20 Volumenprozent SiC herausgestellt.

Wird der Legierung 6061 beispielsweise Al₂O₃ zugesetzt im Be reich von 8 bis 20 Volumenprozent, so wird auch deren Ero sionsfestigkeit wesentlich erhöht. Als besonders günstig hat sich die Beimischung von 10 Volumenprozent Al₂O₃ erwiesen. Die Figur zeigt den Einfluß der Menge des beigemischten Al₂O₃ auf die Erosionsfestigkeit. In dieser Figur ist entlang der Ordinatenachse der Volumenverlust des beschriebenen Materials in mm³ und entlang der Abszissenachse die Anzahl der auf das Material auftreffenden Wasserpartikel aufgetra gen. Die Wasserpartikel der Versuchseinrichtung wiesen einen Durchmesser von 0,2 mm auf und trafen mit 300 m/sec auf das Material auf. Die in der Figur angegebenen Prozentzahlen beziehen sich auf die beigemischte Menge Al₂O₃. Es ist deutlich zu sehen, daß die Materialabtragung bei einer Beimischung von 10% Al₂O₃ geringer ist als ohne eine derartige Beimischung.

Es soll zudem noch erwähnt werden, daß im Kern einer mit einer Erosionsschutzschicht überzogenen Turbinenschaufel auch faserverstärkte Kunststoffe, insbesondere bietet sich hier eine Verstärkung mit Kohlefasern an, eingesetzt werden können.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen einer Erosionsschutzschicht, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein aus einer Leichtmetallegierung oder aus einem Sintermaterial bestehender Kern eng mit einer Stahl schicht umgeben wird,
- daß dieser Kern gemeinsam mit der Stahlschicht extru diert wird, wodurch ein Rohling entsteht, und
- daß der Rohling durch einen Schmiedevorgang in eine endgültige Form gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß als endgültige Form eine Turbinenschaufel erstellt wird.

3. Turbinenschaufel, dadurch gekennzeichnet,

- daß sie eine nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 aufgebrachte Erosionsschutzschicht aufweist.

4. Turbinenschaufel aus einer Aluminiumlegierung 2124, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Legierung SiC zugesetzt wird im Bereich von 15 bis 25 Volumenprozent, insbesondere 20 Volumenpro zent.

5. Turbinenschaufel aus einer Aluminiumlegierung 60 61, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Legierung Al₂O₃ zugesetzt wird im Bereich von 8 bis 20 Volumenprozent, insbesondere 10 Volumenpro zent.