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Verfahren zur Herstellung von Trommeln für Turbogeneratoren und ähnlich
hochbeanspruchten Maschinenteilen Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren
anzugeben, das gestattet, Maschinenteile, die besonders starken mechanischen Beanspruchungen
ausgesetzt sind, mit besonders zuverlässigen Festigkeitseigenschaften herzustellen.
Dabei können diese Beanspruchungen beispielsweise in starkem Druck oder Zug bestehen;
insbesondere eignet sich das Herstellungsverfahren aber auch für solche Maschinenteile,
die starken Zentrifugaikräften sowie starken Schwingungs- und Wechselbeanspruchungen
ausgesetzt sind. Als Beispiel für die bisher aufgetretenen Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten
sei auf die schon wiederholt an Turbinengeneratoren aufgetretenen Explosionen hingewiesen.
Bei Herstellung der Trommeln und Induktoren an Turbinengeneratoren nach dem nachstehend
beschriebenen Verfahren wird diese Gefahr weitgehend vermieden. Es sei aber ausdrücklich
bemerkt, daß sich die Erfindung nicht auf die Herstellung von Turbogeneratoren beschränkt,
sondern sinngemäß für jeden Bauteil Anwendung finden kann, der ähnlichen Beanspruchungen
ausgesetzt ist.
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Es ist bekannt, daß der Antriebsteil der Turbogeneratoren, also die
Dampf- oder Gasturbine, aus einer durchgehenden Welle besteht, auf die die Scheiben,
die die Laufschaufeln tragen, aufgeschrumpft werden. Da diese Scheiben Durchmesser
bis über i m besitzen und mit Umfangsgeschwindigkeiten bis über Zoo m/s laufen,
ist klar, daß die an den Scheiben angreifenden Fliehkräfte außerordentlich hoch
sind. Bisher hat man auch für diese großen Einheiten möglichst geschmiedete Trommeln
verwendet, eine Bauweise, die sich für kleine und mittlere Turbinen durchaus bewährt
hat. Es hat sich dabei jedoch herausgestellt, daß es nicht möglich ist, derartige
große Stücke so vollkommen durchzuschmieden, daß die durch das Schmieden erreichte
Kornverfeinerung bis in den Kern des Rohgußstückes reicht, und es ist infolgedessen
nicht möglich, dem Rohgußstück über den ganzen Querschnitt die erforderliche Zähigkeit
zu erteilen. Als zweiter Übelstand machte sich geltend, daß Gußstücke, die in üblicher
Weise erzeugt wurden, fast stets einen Lunker o. dgl. Hohlräume enthalten. Diese
Hohlräume verschweißen aber erfahrungsgemäß beim Schmieden nicht mit Sicherheit,
insbesondere bei Verarbeitung von legierten Stählen.
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Ähnliche Schwierigkeiten zeigen sich auch bei dem elektrischen Teil
der Turbogeneratoren. Bei den größten bekannten Anlagen besitzen die Induktoren
Durchmesser bis zu iioo mm und Dängen bis zu 3 m zwischen den Wellenzapfen bzw.
bis zu 6 m mit den aus einem Stück bestehenden Wellenzapfen. Es handelt sich dabei
um Gußstücke im Gewicht bis zu 15 bis 20 t. Auf diese Achsen sind die Polschuhe
mit den Wicklungen aufgesetzt; die Tourenzahl dieser Achsen beträgt bis zu 3000,
so daß also auch hier ungeheure Fliehkräfte und Schwingungsbeanspruchungen auftreten.
Da
die mechanischen Eigenschaften des normalen Stahles auch im geschmiedeten Zustand
noch nicht ausreichen, um diesen Beanspruchungen zu widerstehen, unterzieht man
diese `Fellen noch einer besonderen Vergütung, um die Festigkeitseigenschaften zu
steigern. Es ist aber ganz selbstverständlich, daß die Abkühlung so großer Stücke
beim Vergüten nicht durch den ganzen Querschnitt gleichmäßig erfolgt und daß infolgedessen
im Inneren des Werkstückes Wärmespannungen vorhanden sind. Schneidet man aus einem
vergüteten Bauteil dieser Art einen Probestab heraus, so wird dieser allerdings
' in seinen mechanischen Eigenschaften um beispielsweise 4o0/0 höher liegen als
ein im ursprünglichen, geschmiedeten Zustand entnommener Probestab, da der herausgeschnittene
Stab in sich keine Spannungen mehr aufweist. Die an einem Probestab gemessenen mechanischen
Werte können aber für die Beurteilung des mechanischen Widerstandes des Induktors
nicht mit Sicherheit maßgebend sein. Bei diesem wird vielmehr schon ein gewisser
Teil der Festigkeit, beispielsweise 12 bis 15 kg/mm2, durch die durch die ungleichmäßige
Abkühlung verursachten inneren Spannungen vorab in Anspruch genommen. Diese 12 bis
15 kg/mm2 müssen dann aber von den an dem Probestab gemessenen Festigkeitswerten
abgezogen werden, wenn festgestellt werden soll, wie hoch die wirkliche Widerstandsfähigkeit
des Induktors gegen die Betriebsbeanspruchungen ist. Es ist deshalb mitunter fraglich,
ob die Vergütung überhaupt eine Verbesserung oder eine Erhöhung der Betriebssicherheit
bewirkt.
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Es ist ferner noch wünschenswert, daß die Induktoren eine hohe Permeabilität
besitzen. Die bisher aufgetretenen Schwierigkeiten bestehen also in folgendem.
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i. Der Guß ist blasig.
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z. Beim Gießen bilden sich Lunker.
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3. Die Wirkung des Schmiedens dringt nicht bis in den Kern des Rohgußstückes
vor.
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4. Blasen und Lunker verschweißen beim Schmieden nicht.
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5. Das Material besitzt keine genügende Festigkeit und Zähigkeit.
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Gemäß der Erfindung lassen sich diese Übelstände bei der Herstellung
von hochbeanspruchten Maschinenteilen dadurch weitgehend vermeiden, daß man die
Metalle oder Legierungen im Vacuum schmilzt und vergießt und diese ungeschmiedeten
rohen Gußstücke verwendet, ohne sie einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Als Maschinenteile,
die für die vorliegende Erfindung ausschließlich in Frage kommen, sind solche zu
verstehen, die eine Umfangsgeschwindigkeit von mindestens i20 m in der Sekunde haben,
durch Schwingung beansprucht sind und solche Form und Masse besitzen, daß bei der
Herstellung durch Vergütung innere Spannungen entstehen, die i0°/0 der Festigkeit
überschreiten. Die zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Blöcke werden einfach
mit spanabhebenden Werkzeugen bearbeitet, in derselben Weise, wie man bisher in
üblicher Weise die vorgeschmiedeten Stücke bearbeitet hat. Es ist. ohne weiteres
einleuchtend, daß der Materialverlust bei der Herstellung der rohen Gußstücke, die
unmittelbar der spanabhebenden Bearbeitung unterzogen werden können, wesentlich
geringer ist als bei Herstellung geschmiedeter Stücke. Während man beim Schmieden
mit einem gesamten Materialabfall von mindestens 5o0/0 zu rechnen hat, ist es beim
Gießen nur nötig, mit einem Materialüberschuß von io bis 200/, zu arbeiten. Das
Schmelzen und Gießen von Metallen und Legierungen im Vacuum ist zwar an sich bekannt,
und es ist auch bekannt, daß man auf diesem Wege gasfreie Metalle erhalten kann.
Ebenso ist es bekannt, daß die Kerbzähigkeit von im Vacuum geschmolzenen und im
Vacuum vergossenen Legierungen erheblich größer ist als die von Metallen und Legierungen,
die bei gleicher Zusammensetzung offen geschmolzen und vergossen sind. Es war aber
nicht bekannt, daß die Festigkeit von im Vacuum geschmolzenen und vergossenen, ungeschmiedeten
Stükken größer ist als die von offen geschmolzenen und geschmiedeten Stücken gleicher
Zusammensetzung. Da sich durch Schmieden die Kerbzähigkeit von offen geschmolzenen
Metallen und Legierungen an nicht sehr großen Stücken auf einen Wert bringen läßt,
der der Kerbzähigkeit der vacuumgeschmolzenen Metalle und Legierungen gleicher Zusammensetzung
im Gußzustand nicht nachsteht, war es nicht ohne weiteres vorauszusehen, daß große
Stücke von im Vacuum erschmolzenen und vergossenen Legierungen im ungeschmiedeten
Zustand bezüglich Festigkeit den geschmiedeten oder vergüteten offen geschmolzenen
Materialien gleicher Zusammensetzung überlegen sein würden.
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Es werden somit bereits durch das Schmelzen und Gießen im Vacuum ohne
nachträgliche Wärmebehandlung oder mechanische Bearbeitung Stücke erhalten, die
mechanischen Ansprüchen bei erhöhter Temperatur in hohem Maße gewachsen sind. Nachstehend
wird eine Arbeitsweise beschrieben, die erlaubt, bei gleicher mechanischer Festigkeit
der Legierungen die Lunkerbildung noch weiter zurückzudrängen.
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Man geht dabei in der Weise vor, daß man die Metalle und Legierungen
im Vacuum schmilzt, sie dann aber überhaupt nicht gießt, sondern sie unter Umgehung
des Gießvorganges am Ort der Schmelzung unter geregelten Abkühlungsbedingungen erstarren
läßt. Dabei erfolgt die Erstarrung stufenweise oder allmählich
von
unten nach oben, was beispielsweise durch allmähliches Senken des Schmelzgefäßes
bzw. Verschieben des heizenden Prinzips relativ zum Schmelzgefäß, durch Kühlen des
Schmelzgefäßes von unten nach oben oder durch allmähliches oder stufenweises Ausschalten
des Heizelementes von unten nach oben erfolgen kann. Diese unter geregelten Abkühlungsbedingungen
im Ofen lunkerfrei erstarrten Blöcke brauchen dann ebenfalls nur noch spanabhebend
bearbeitet zu werden.
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Es ist nun schon vorgeschlagen worden, die Erstarrung von geschmolzenem
Metall zwecks Vermeidung der Lunkerbildung n Gießformen durch nachträgliche Beheizung
der Gießform zu beeinflussen, doch wurden ähnliche Maßnahmen noch nicht getroffen,
um Metalle am Orte der Schmelzung erstarren zu lassen und um damit zu erreichen,
daß die betreffenden Metalle ohne nachträgliche Vergütung o. dgl. im Erstarrungszustand
für höchstbeanspruchte Maschinenteile benutzt werden können.
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Da nach den vorstehend geschilderten Verfahren jede nachträgliche
Wärmebehandlung der Metalle und Legierungen entfällt, ist es möglich, bei gleichen
Kosten nach dem Verfahren gemäß der Erfindung Legierungen zu erschmelzen, die an
sich eine hohe Warmfestigkeit oder andere für besondere Zwecke erforderliche Eigenschaften
besitzen. In erster Linie kommen hierfür in Frage Legierungen des Eisens mit Zusätzen
von Nickel, Chrom, Molvbdän, Wolfram, Kobalt, Aluminium, Silicium sowie gegebenenfalls
Mangan und Kohlenstoff. Durch den Wegfall der Wärmebehandlung wird der durch den
:Metallwert bedingte höhere Preis der Legierungen weitgehend wieder ausgeglichen.
Beispielsweise ist es möglich, durch die Legierungszusammensetzung außer den mechanischen
Eigenschaften auch das magnetische Verhalten zu beeinflussen. So wird man beispielsweise
für Induktoren von Turbogeneratoren eine Legierung wählen, die eine hohe Permeabilität
besitzt, für die Kappen über den Nickelköpfen der Induktoren dagegen unmagnetische
Legierungen mit hoher mechanischer Festigkeit. Maschinenteile, die etwa neben hohen
mechanischen Beanspruchungen zugleich chemischen Angriffen ausgesetzt sind, wird
man aus korrosionsbeständigen Legierungen mit hoher Festigkeit herstellen.