DE525964C

DE525964C - Laufradschaufel fuer Brennkraftturbinen

Info

Publication number: DE525964C
Application number: DEH116211D
Authority: DE
Original assignee: E H HANS HOLZWARTH DR ING
Current assignee: E H HANS HOLZWARTH DR ING
Priority date: 1927-04-23
Filing date: 1928-04-20
Publication date: 1931-06-03

Description

Vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es bei Brennkraftturbinen zur Erzielung hoher Wirkungsgrade, zur Vereinfachung des Aufbaues der Brennkraftturbine und zur Vereinfachimg ihres Betriebes erforderlich ist, eine Innenkühlung der Laufradschaufeln zu vermeiden. Auf der anderen Seite sind die Schaufehl Temperaturen ausgesetzt, wie sie den heute gebräuchlichen Baustoffen nicht zugemutet werden und zu deren Verarbeitung diese auch nicht geeignet sind. Erreicht doch die Temperatur der Verbrennungsgase vor der Düse den Wert von etwa 1600⁰, vor den Schaufeln selbst von etwa 6oo° maximal.

Außer genügender Zerreißfestigkeit, Zähigkeit und Dehnung muß daher der Schaufelbaustoff neben der erforderlichen Schmiedbarkeit und Bearbeitungsfähigkeit eine hohe

ao Oxydations- und Erosionsfestigkeit aufweisen. Denn eine Erosion der Oberfläche wirkt sich in einem Rauhwerden der ursprünglich glatten Flächen aus, so daß sich den beaufschlagenden Gasen ein erhöhter Widerstand darbietet; der Wirkungsgrad der Turbine sinkt. Es bildet eine weitere, in vorliegender Erfindung erstmalig verwertete Erkenntnis, daß die Ermüdungs- und Kriechfestigkeiten des Baustoffes Werte annehmen müssen, welche einen gefahrlosen Betrieb der Brennkraftturbine zulassen. Insbesondere mangelnde Kriechfestigkeit führt nach verhältnismäßig kurzen Betriebszeiten zu bleibenden Dehnungen der Schaufeln, d. h. zu einem Wachsen derselben nach Höhe und Breite, das einerseits die zugelassenen Abstände zwischen den bewegten und unbewegten Teilen überschreitet und damit zu mechanischen Zerstörungen führt, anderseits solche Formänderungen hervorruft, daß die ursprünglich eingestellten Wirkungsgrade sehr verschlechtert werden.

Erfindungsgemäß wird ein den genannten Beanspruchungen vollkommen genügender Baustoff in einer Legierung aus 65 Gewichtsteilen Nickel, 15 Gewichtsteilen Chrom, 10 Gewichtsteilen Eisen und 7 Gewichtsteilen Molybdän gefunden. Dieser Baustoff hat bei Dauerbelastung und einer

Temperatur von 300 ° eine Zugfestigkeit von 79 kg/mm²

- 400⁰ - - - 75 ·. 500⁰ - - - 67 -

- 6oo° - - - 54 -

bei Dauerbelastung und einer

Temperatur von 300 ° eine Dehnung von 32%

- 400⁰ - - - 35%

- 500⁰ - - - 42%

- 6oo° - - - 53%

wobei die Maßlänge gleich dem zehnfachen Durchmesser war. Bei Dauerbelastung und einer

Temperatur von 300 ° eine Streckgrenze von 41 kg/mm²

- 400⁰ - - - 36

- 500⁰ - - - 30 -

- 6oo° - - - 23 - -

bei Dauerbelastung und einer

Temperatur von 300⁰ eine Kerbzähigkeit von 48 mkg/mm²

400⁰ 500⁰ 6oo°

Die Oxydationsfestigkeit dieser Legierung bei iooo⁰ C beträgt das 4oofache von der Oxydationsfestigkeit des Eisens bei 8oo°. Die Bearbeitbarkeit ist dieselbe wie bei Stahl. Die Brinellhärte war bei 300⁰ 143, bei 400⁰ 130.

Es liegt im Wesen der Erfindung, daß der so gekennzeichnete Schaufelbaustoff bei den verschiedensten Turbinenbauarten Anwendung rinden kann. Das Ausführungsbeispiel einer Verpuffungsbrennkraftturbine, in der der neue Baustoff im Dauerbetrieb den auftretenden Beanspruchungen gerecht wurde, ist in der beiliegenden Zeichnung in einem teilweisen Schnitt durch die Verpurrungskammer und den angrenzenden Teilen dargestellt worden. Es bedeutet A die Verpuffungskammer, B das gesteuerte Düsenventil, C die Düse, D die Laufradschaufehl, E das Laufrad und F die zwischen zwei Laufradschaufelreihen angeordneten Umkehrschaufeln. Während die LaufradschaufeM die Teile einer Brennkraftturbine darstellen, die der höchsten Wärmebeanspruehung unterliegen, weil sie nicht gekühlt werden, können die Wärmebeanspruchungen der Leitschaufehl und der Düsen durch Kühlung herabgezogen werden, weil die Kühlung bei diesen feststehenden Teilen keine besonderen Schwierigkeiten verursacht. Die Herstellung dieser Teile erfolgt daher zweckmäßig aus bekannten Chrom-Nickel-Eisen-Legierungen.

Die besondere Eignung als Baustoff für Laufradschaufehl in Brennkraftturbinen ist bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Legierung erst durch ihre hohe Kriechfestigkeit gegeben. Unter dieser versteht man bekanntlich den Grenzwert der Beanspruchung, bei dessen Überschreitung der Baustoff unter dem Einfluß hoher Temperaturen eine bleibende Dehnung erfährt. Die Einhaltung des 45
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theoretischen Grenzwertes ist unmöglich; praktisch kann eine gewisse bleibende Dehnung zugelassen werden. So wächst beispielsweise eine aus dem neuen Baustoff hergestellte Schaufel von 50 mm Länge nach 10 000 Betriebsstunden bei 8oo° und einer Beanspruchung von 300 kg/cm² um 1,63 mm; diese Längenänderung ist ohne weiteres zuzulassen. Dagegen wächst eine Schaufel unter denselben Bedingungen um 12,1 mm, wenn sie aus einem Baustoff hergestellt ist, der sich im wesentlichen von dem erfindungsgemäßen nur durch einen etwas niedrigeren Molybdängehalt unterscheidet; dieser Baustoff ist daher unbrauchbar. Abb. 2 gibt für den erfindungsgemäßen Baustoff die zulässigen Beanspruchungen wieder, bei denen nach Verlauf von 10 000 Betriebsstunden die bleibende Dehnung ι o/g nicht überschreitet. Der Grenzwert der Kriechfestigkeit selbst ist bei 700⁰ etwa 265 kg/cm². Die zulässige Beanspruchung bei ι 0/0 Dehnung und 20 000 Betriebsstunden ist bei der gleichen Temperatur 456 kg/cm², bei 10 000 Betriebsstunden 515 kg/cm² und bei 50000 Betriebsstunden 575 kg/cm².

Legierungen mit denselben Legierungsbestandteilen sind zwar schon vorgeschlagen worden. Die diesen Vorschlägen zugrunde liegenden Erkenntnisse gingen jedoch lediglich von den bekannten Vorzügen der Nickel-Eisen-Legierungen und der Veredelungsmetalle, wie Chrom, Wolfram, Molybdän, Cer usw., aus. Der Einfluß der Gewichtsamteile auf die Kriech- und Ermüdungsfestigkeiten, die durch die gemäß vorliegender Erfindung vorgeschlagene bestimmte Zusammensetzung auf einen hohen Wert gesteigert werden, war jedoch nicht erkannt.

Im Wesen vorliegender Erfindung liegt es jedoch, daß in den genannten Gewichtsver-

hältnissen so weit Abweichungen getroffen werden können, wie die Ermüdungs- und Kriechfestigkeiten die erfindungsgemäß erreichten, die Verwendung als Baustoff für Laufradschaufeln in Brennkraftturbinen ermöglichenden hohen Werte behalten. Dasselbe trifft bezüglich der bekannten Äquivalente des Molybdäns zu.

Claims

Patentanspruch:

Laufradschaufeln für Brennkraftturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Legierung von 65 Gewichtsteilen Nickel, 15 Gewichtsteilen Chrom, 10 Gewichtsteilen Eisen und 7 Gewichtsteilen Molybdän bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen