DE593837C

DE593837C - Erosionsfeste Schaufel fuer mit staubfoermigen Brennstoffen betriebene Brennkraftturbinen

Info

Publication number: DE593837C
Application number: DEH126520D
Authority: DE
Original assignee: E H HANS HOLZWARTH DR ING
Current assignee: E H HANS HOLZWARTH DR ING
Priority date: 1931-04-19
Filing date: 1931-04-19
Publication date: 1934-03-06
Also published as: BE386572A; FR731593A

Description

Während sich bisher im Brennkraftturbinenbau das Bestreben darauf richtete, dem Schaufelbaiustoff durch Zusammensetzung und durch Art der Herstellung eine möglichst hohe Kriech- und Ermüdungsfestigkeit zu geben, weil ein in dieser Hinsicht befriedigender Baustoff neben der erforderlichen Schmiedbarkeit und Bearbeitungsfähigkeit ohne weiteres die genügende Zerreißfestigkeit, Zähigkeit, Dehnung, Oxydations- und Erosionsfestigkeit aufwies, geht vorliegende Erfindung von der neuen Erkenntnis aus, daß gewisse Betriebsverfahren für Brennkraftturbinen diese Verhältnisse grundlegend ändern. Ein derartiges Betriebsverfahren liegt beispielsweise vor, wenn eine Brennkraftturbine mit staubförmigen Brennstoffen, insbesondere mit Kohlenstaub, betrieben wird. Es ist bekannt, daß die Kohle mineralische Beimengungen, sogenanntes Unverbrennliches oder Asche enthält. Bei der Verpuffung einer Kohlenstaubladung in der Verpuffungskammer der Brennkraftturbine wird die Asche der einzelnen Kohlenstaubteilchen bei den in Betracht kommenden Verpuffungstemperaturen niedergeschmolzen, verwandelt sich also in flüssige Schlacke. Bei der Expansion des Verbrennungsgasstromes in der Düse erstarren die Schlacketröpfchen infolge der Abkühlung und pmallen in diesem₍ Zustand auf die Schaufelkante und den Schaufelflankenteil, welcher den Verbrennungsgasstrom aus der Eintrittsrichtüiig ablenkt, auf. Während die Härte der ursprünglich erdigen Beimengungen verhältnismäßig gering ist, wächst sie infolge des Schmelz- bzw. S interungsvorganges und der hierauf folgenden plötzlichen Abkühlung beträchtlich, so daß an die Erosionsfestigkeit der Schaufel Anforderungen gestellt werden, welche bisher unbekannt waren. Während bei dem üblichen Betrieb der Brennkraftturbinen mit gasförmigen und flüssigen Brennstoffen bei genügender Kriech- und Ermüdungsfestigkeit des Schaufelbaustoffes auch eine genügende Erosionsfestigkeit desselben vorhanden war, ändern sich die Verhältnisse beim Kohlenstaubbetrieb; bei genügender Erosionsfestigkeit kann den Anforderungen an die Kriech- und Ermüdungsfestigkeit durch Einhaltung gewisser Regeln, beispielsweise durch Verwirklichung eines gewissen Molybdängehaltes im Baustoff, nachgekommen werden.

Die Steigerung der Erosionsfestigkeit wurde, ausgehend von diesen Erkenntnissen, in der verschiedensten Weise versucht. Zur Erhöhung der Proportionalitätsgrenze des Schaufelbaustoffes bei den in Betracht kommenden Verbrennungsgastemperaturen wurde zunächst ein bewährter Schaufelbaustoff, der aus etwa 65 Gewiehtsteilen Nickel, 15 Gewichtsteilen Chrom, 10 Gewichtsteilen Eisen und 7 Gewiehtsteilen Molybdän besteht, mit einem harten Überzug versehen, also zunächst verchromt. Der Versuch scheiterte. Hierauf wurde der Einfluß der einzelnen Legierungsbestandteile, insbesondere des Wolframs, untersucht. Zwei Baustoffe, deren Wolframgehalt 2,38 °/„ bzw. 5,13 °/o betrug, befriedigten

nicht. Hierbei hatte der Baustoff höheren Wolframgehaltes einen Molybdängelialt von 6,35 °/o· Ausgehend weiter von der durch Erfahrungen bestätigten Tatsache, daß ein Kobaltgehalt zu außerordentlich harten Baustoffen führt, wobei sogar die Grenze der Bearbeitbarkeit erreicht werden kann, wurden Baustoffe mit einem Kobaltgehalt bis zu 6o °/₀, einem Molybdängehalt bis zu io % und einem ίο Wolframgehalt bis zu 5 °/₀ den Beanspruchungen unterworfen. Es ergab sich, daß auch diese Baustoffe eine ungenügende Erosionsfestigkeit aufweisen.

Gleichzeitig versuchte man, die Ablenkung des Feuergasstrahles durch Vergrößerung des Krümmungsradius des Schaufelbauches allmählicher zu gestalten, so daß sich die Schaufel verbreiterte. Trotz der hierdurch erreichten Senkung der Beanspruchungen versagten die vorgehend beschriebenen Schaufelbaustoffe.

Hierauf wurde eine dritte Versuchsreihe durchgeführt, bei der man die Schaufel kühlte. Auch gekühlte Schaufeln wurden stark angefressen.

Es schlossen sich Versuchsreihen an, in denen man die ursprünglich versuchte Überziehung der Schaufel mit harten Schichten planmäßig ausbaute. So wurden beispielsweise im Einsatz gehärtete Chrom-Nickel-Stahl-Schaufeln durchprobiert. Trotz Kühlung der Schaufeln wurden diese wieder weich ■und nach kurzer Zeit stark angefressen.

Nachdem diese Versuchsreihen erfolglos geblieben waren, wurde nunmehr planmäßig der Wolframgehalt, der schon bis zu 5 °/₀, jedoch ohne Erfolg, gesteigert worden war, weiter erhöht. Diese Versuchsreihe führte nunmehr zum vollen Erfolg. Insbesondere ergab sich, daß eine Schaufel, die aus einer gehärteten Legierung von 18 ⁰J₀ Wolfram, 2 °/₀ Vanadium, 3 °/₀ Aluminium, 4 °/₀ Chrom, 1 °/₀ Molybdän und 72 °/o Stahl bestand, dem Treibmittelstrom auf die Dauer ohne die geringste Einwirkung unterworfen werden konnte; die Härtung wurde dabei durch Kühlung der Schaufel während des Betriebes erhalten. Da die Legierungen mit ähnlichen Chrom- und Molybdängehalten versagt haben, muß der Erfolg auf den über 15 °/₀ liegenden Wolframgehalt und erst in zweiter Linie den übrigen Zusätzen zugeschrieben werden.

Erfindungsgemäß kennzeichnet sich daher eine erosionsfeste Schaufel für mit staubförmigen Brennstoffen betriebene Brennkraftturbinen dadurch, daß der vom Treibmittelstrom bei seinem Eintritt in den Schaufelkanal beaufschlagte und ihn aus der Eintrittsrichtung zunächst scharf ablenkende, vorteilhaft gekühlte Schaufelflankenteil aus einer Wolframlegierung mit einem Wolframgehalt über 15"% besteht. Eine bewährte Ausführungsform dieser Legierung weist einen Wolframgehalt von 15 bis 20 °/₀, einen Vanadkimgehält von ι bis 3 °/₀, einen Alumniumgehalt von 2 bis 4°/₀ und Stahl als Rest auf, wobei unter Stahl jedes ohne Nachbehandlung schmiedbare Eisen verstanden ist. Entsprechend einer bewährten Legierung dieser Art, die aus 18 ⁰Z₀ Wolfram, 2 °/o Vanadium, 3 °/o Aluminium, 4 7o Chrom, 1 °/o Molybdän und 72 °/₀ Stahl besteht, kann die vorgeschlagene Legierung in weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens Zusätze von Chrom in den Grenzen von ο bis 20 °/o und Molybdän in den Grenzen von ι bis 10 °/o aufweisen, wobei sich der Stahlgehalt entsprechend verändert.

Nachdem bereits Wolframlegierungen mit einem Wolframgehalt von über 15 °/₀ grundsätzlich den Erfolg gebracht hatten, wurden zusätzliche Versuchs reihen unter weiterer Erhöhung des Wolframgehaltes angeschlossen. Hierbei bewährten sich ganz besonders Wolframlegierungen mit einem Wolfrafflgehalt von 85 bis 90 °/₀. Da Legierungen dieser Art infolge des hohen Wolframgehaltes bereits sehr kostspielig sind, wurde versucht, lediglich den Teil der Schaufel, in dem die Anfressungen auftreten, nämlich den vom Treibmittelstrom bei seinem Eintritt in den Schaufelkanal beaufschlagten und ihn aus seiner Eintrittsrichtung ablenkenden Schaufelflankenteil, aus dieser hochprozentigen Wolframlegierung, den übrigen Teil der Schaufel dagegen, den sogenannten Schaufelkern, aus üblichen Stahllegierungen herzustellen. Dieser Versuch gelang, wenn die Verbindung zwischen Schaufelflankenteil und Schaufelkern so ausgestaltet war, daß sie den hohen thermischen Beanspruchungen genügte; eine derartige Verbindung konnte durch Hartlötung bzw. durch Schweißung hergestellt werden. In weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens besteht daher der vom Treibmittel strom bei seinem Eintritt in den Schaufelkanal beaufschlagte und ihn aus der Eintritts richtung zunächst scharf ablenkende, vorteilhaft gekühlte Schaufelflankenteil aus einer Wolframlegierung mit einem Wolframgehalt über 15 °/o, der Schaufelkern dagegen aus einer Stahllegierung. Schaufelflankenteil und Schaufelkern werden dabei zweckmäßig durch Hartlötung oder Verschweißung in bekannter Weise miteinander verbunden.

Eine vorteilhafte Ausführungform dieser Schaufel kennzeichnet sich dadurch, daß der Wolframgehalt, beispielsweise von 85 bis °/₀, der den Schaufelflanken teil bildenden Wolframlegierung höher ist wie der Wolf ram- _ehalt der den Schaufelkern bildenden Stahllegierung, der beispielsweise 15 bis 2O°/₀ beträgt.

Die -obenerwähnten Wolframlegierungen sind an sich bekannt; ihre Eignung zur Bildung einer erosionsfesten Schaufel für mit staubförrnigen Brennstoffen betriebene Brennkraf tturbinen war jedoch bisher nicht erkannt worden.

Man hat auch schon vorgeschlagen, die die Schaufelein- und -austrittskanten bildenden Schaufelteile aus-besonderen Stahlkgierungen,

ίο insbesondere Schnellarbeitsstählen und Stelliten, zu bilden. Bei diesen Vorschlägen ging man jedoch lediglich von der Aufgabe aus, eine trotz der hohen Arbeitstemperaturen ausreichende Schaufelfestigkeit zu erzielen, ohne daß erkannt und angegeben wurde, daß durch hohe Wolframgehalte eine Erhöhung der Erosionsfestigkeit der Schaufel, wenn der Kohlenstaubbetrieb einer Brennkraftturbine diese verlangt, zu erzielen sei. Außerdem wurden bei Vorschlägen dieser Art die- Stellite. den Schnellarbeitsstählen hinsichtlich der Wirkung gleichgesetzt, trotzdem sich nach den einleitenden' Ausführungen ergibt, daß der Wolframgehalt der Stellite zur ausreichenden Erhöhung der Erosionsfestigkeit nicht genügt, ohne daß durch den hohen Kobaltgehalt ein Ausgleich der Eigenschaften bewirkt wird. Schließlich hat man ganz allgemein versucht, die Auswirkungen der auch, bei Dampfturbinen durch mitgerissene Wassertröpfchen auftretenden Erosion durch auf die Schaufeleintrittskanten aufgesetzte Schirmkörper abzuschwächen; bei diesen Versuchen beschränkte man sich jedoch auf die Angabe, wie diese Abschirmkörper auszubilden seien, ohne auf die Frage einzugehen, welche Werkstoffe zur Bildung der Abschirmkörper wirksam geeignet seien; im Gegenteil, man stellte fest, daß geeignete Werkstoffe nicht vorhanden seien, so daß die Notwendigkeit auftrete, die Abschirmkörper möglichst oft auszuwechseln.

Die Zeichnung zeigt beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgedankens.

Während die Abb. 1 bis 3 Seitenansichten

♦5 auf die Schaufel bzw. waagerechte und senkrechte Schnitte durch sie nach den Linien II-II und III-III der Abb. 1 und 2 wiedergeben, wenn die gesamte Schaufel aus einer Wolframlegierung besteht, zeigen die

Abb. 4 bis 6 in denselben Darstellungen eine Schaufel, bei der der Scbaufelflankenteil einen höheren Wolframgehalt aufweist wie der Schaufelkern.

In Abb. 2 bezeichnet zunächst der Pfeil 1 die Richtung des eintretenden Treibmittelstrahles. Versuche haben ergeben, daß Schaufeln, die nach den bis zur Erfindung vorhandenen Erkenntnissen ausgebildet waren, bei 2 und 3, d. h. an der Eintrittskante und an der Mantellinie, an der der Treibmittelstahl aus seiner Eintrittsrichtung abgelenkt wird, -starke Anfressungen aufweisen. Diese Anfressungen werden erfindungsgemäß vermieden, wenn die Schaufel aus einer Wolframlegierung mit einem Wolframgehalt über 15 °/₀ besteht. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Legierung mit einem Wolframgehalt von i8°/₀, einem Vanadiumgehalt von 2 ⁰/₀, einem Aluminiumgehalt von 3 °/o, einem Chromgehalt von 4 °/₀, einem Molybdängehalt von 1 °/₀ und einem Stahlgehalt von 72 °/₀ ergeben, wobei unter Stahl ein ohne Nachbehandlung schmiedbares Eisen verstanden wird. Um die Härtung der Schaufel 4 zu erhalten, ist 'die Schaufel gekühlt. Das Kühlmittel tritt bei 5 in den Schaufelfuß ein, kühlt die Edntrittskante 2 mittels der Längsbohrung 6 und kühlt hierauf den gesamten hochbeanspruchten Schaufelflankenteil mittels der Längsbohrung 7, in die es über die Querboh-■rung 8 gelangt. Das aufgeheizte Kühlmittel wird über Leitung 9 abgezogen. Die Leitungen 5 und 9 sind dabei, was nicht besonders dargestellt ist, im Laufradkörper untergebracht. ·' Die Ausführungsfarm der Schaufel nach den Abb. 4 bis 6 entspricht derjenigen der Abb. 1 bis 3 mit dem Unterschied, daß der Schaufelflankenteil 10, der vom Treibmittelstrom 1 bei seinem Eintritt in den Schaufellcanal 11 beaufschlagt wird und ihn aus der Eintrittsrichtung ablenkt, aus einer Wolframlegierung mit einem Wolfnamgehalt über 15 °/₀ besteht, während der übrige Teil der Schaufel, der Schaufelkern 12, aus einer Stahllegierung besteht. Als besonders vorteilhaft hat es sich ergeben, den Schaufelflankenteil 10 aus einer Wolframlegierung mit einem Wolfratngelialt von 85 bis 90 °/o auszubilden, während der Wolframgehalt der den Schaufelkern 12 bildenden Stahllegierung etwa 18 °/₀ beträgt, wobei die den Schaufelkern bildende Legierung in den übrigen Bestandteilen mit der Legierung übereinstimmen kann, die der Ausführungsform der Abb. 1 bis 3 unterlegt worden ist. Die gehärtete Schaufel wird dabei in der gleichen Weise gekühlt wie die Schaufel nach den Abb. 1 bis 3.

Claims

Patentansprüche:

1. Erosionsfeste Schaufel für mit staubförmigen Brennstoffen betriebene Brennkraftturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Treibmittelstrom bei seinem Eintritt in den Schaufelkanal beaufschlagte und ihn aus der Eintrittsrichtung zunächst scharf ablenkende, vorteilhaft gekühlte Schaufelflankenteil aus einer Wolframlegierung mit einem Wolframgehalt über 15 °/₀ besteht.

2. Erosionsfeste Schaufel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der

vom Treibmittelstrom bei seinem Eintritt in den Schaufelkanal beaufschlagte und ihn aus der Eintrittsrichtung zunächst scharf ablenkende, vorteilhaft gekühlte Schaufelteil aus einer Wolframlegierung von 15 bis 20 °/₀ Wolfram, 1 bis 3 °/₀ Vanadium, ι bis 4 % Aluminium und Stahl als Rest besteht.

3. Erosionsfeste Schaufel nach An-Spruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Treibmittelstrom bei seinem Eintritt in den Schaufelkanal beaufschlagte und ihn aus der Eintrittsrichtung zunächst scharf ablenkende, vorteilhaft gekühlte Schaufelflankenteil aus einer Wolframlegierung von 15 bis 20 °/o Wolfram, 1 bis 3 °/₀ Vanadium, 2 bis 4 °/o Aluminium, Chrom- und Manganzusätzen sowie aus Stahl als Rest besteht, wobei der Chromgehalt zwischen ο bis 20 °/₀, der Molybdängehalt zwischen ο bis 10 °/₀ liegt.

4. Erosionsfeste Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Treibmittelstrom beaufschlagte und ihn aus der Eintrittsrichtung zunächst scharf ablenkende, vorteilhaft gekühlte Schaufelflankenteil aus einer Wolframlegierung von 18 °/₀ Wolfram, 2 °/₀ Vanadium, 3 °/„ Aluminium, 4°/o Chrom, 1 °/o Molybdän und 72 °/₀ Stahl besteht.

5. Erosionsfeste Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schaufel aus einer Wolframlegierung besteht.

6. Erosionsfeste Schaufel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Treibmittelstrom bei seinem Eintritt in den Schaufelkanal beaufschlagte und ihn aus der Eintrittsrichtung zunächst scharf ablenkende, vorteilhaft gekühlte Schaufelflankenteil aus einer Wolframlegierung mit einem Wolframgehalt über 15 °/₀, der Schaufelkern dagegen aus einer Stahllegierung besteht.

7. Erosionsfeste Schaufel nach Anspruch ι und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wolframgehalt der den Schaufelflankenteil bildenden Wolframlegierung höher ist wie der Wolframgehalt der den Schaufelkern bildenden Stahllegierung.

8. Erosionsfeste Schaufel nach einem der Ansprüche 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wolframgehalt der den Schaufelflankenteil bildenden Wolframlegierung zwischen 85 und 90 °/₀, der Wolframgehalt der den Schaufelkern bildenden Stahllegierung zwischen 15 und 20 0/0 liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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