DE69217508T3

DE69217508T3 - Stahl für Ankerwellen von Elektromaschinen

Info

Publication number: DE69217508T3
Application number: DE69217508T
Authority: DE
Inventors: Masao Hitachi-shi Shiga; Mitso Kuriyama; Takanobu Hitachi-shi Mori; Yutaka Hitachi-Shi Fukui; Tatsuro Hitachi-shi Ishizuka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1992-03-12
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2012-03-13
Also published as: EP0505085B1; CA2063355C; DE69217508D1; EP0505085A1; EP0505085B2; US5437742A; CA2063355A1; DE69217508T2; US5288455A; US5548174A

Description

HINTERGRUND
In den letzten Jahren hat die Energieerzeugung eine Verschiebung von Öl zu Kohle hin als Quelle thermischer Energie erfahren. Im Ergebnis entstand ein technisches Problem in Form des Erfordernisses, Turbinengeneratoren mit erhöhtem Wirkungsgrad herzustellen. Da im allgemeinen der Raum begrenzt ist, besteht die Tendenz, die Leistung jedes einzelnen Generators zu erhöhen.
Die Rotorwellen großer Elektrogeneratoren bestehen aus Stahl. Derartige Wellen sind sehr spezielle Gegenstände. Die Wellen für die neue Generation großer Wärmekraftwerke, von denen einige für eine Ausgangsleistung bis zu 1000 mW oder mehr geplant sind, können in der Größenordnung von 80 Tonnen wiegen. Sie müssen schneller Drehung standhalten und müssen dennoch für eine in Jahrzehnten gemessene Zeitspanne in Betrieb bleiben.
Daher sind sehr hohe Festigkeit und sehr hohe Zähigkeit erforderlich. Es ist wohlbekannt, dass die Tendenz besteht, dass hohe Festigkeit zu geringer Zähigkeit führt, und umgekehrt. Dies ist ein Problem. Ferner ist es aufgrund der Verwendung des Materials erforderlich, dass es geeignete magnetische Eigenschaften aufweist.
ASTM Standard Specification A469-88 beschreibt Typen von Spezialstählen wie sie derzeit für Generator-Rotorwellen verwendet werden. Die Klassen 6, 7 und 8 sind die festesten. Sie spezifizieren Gehalte wie folgt:

C weniger als 0,28%

Mn weniger als 0,60

P weniger als 0,015%

Si 0,15 bis 0,30%

Ni 3,25 bis 4,00

Cr 1,25 bis 2,00%

Mo 0,30 bis 0,60%

V 0,05 bis 0,15%

Rest im wesentlichen Fe.
Ein Stahl der Klasse 8 ist der festeste von allen, mit einer Zugfestigkeit von 84 kg/mm², einer 0,02%-Umformfestigkeit von 70,4 kg/mm², einer Dehnung von mehr als 16%, einer Flächenverringerung von mehr als 45% und einer Übergangstemperatur bei 50%-Bruchaussehen (FATT) unter 4°C.
In der Patentliteratur beschreibt das Dokument JP-B-47/25248 einen niederlegierten Stahl für Generator-Rotorwellen mit der folgenden Zusammensetzung:

C 0,14 bis 0,20

Si 0,05 bis 0,4

Mn 0,1 bis 0,6

Ni 1,5 bis 2,8

Cr 0,75 bis 1,8

Mo 0,1 bis 0,5%

V 0,01 bis 0,12

Fe Rest

Das Dokument JP-A-60/230965 beschreibt niederlegierte Stähle für Turbinengeneratorwellen mit der folgenden Zusammensetzung:

C	0,13 bis 0,30%
Si	< 0,10%
Mn	0,06 bis 2,00
P	< 0,010
Cr	0,40 bis 2,00%
Ni	0,20 bis 2,50%
Mo	0,10 bis 0,50%
V	0,05 bis 0,15%
Al	0,005 bis 0,040%
N	0,0050 bis 0,0150%
Ni + 2Mn	+ 2Cr 4 bis 8
Fe	Rest

Das Dokument EP-A-225 425 beschreibt niederlegierte Stähle mit guter Rissbildungsfestigkeit bei Spannungskorrosion bei Dampfturbinenwellen. Beispiele sind in den folgenden Bereichen offenbart:

C 0,2 – 0,23

Si 0,03 – 0,16

Mn 0,01 – 0,5

Ni 3,42 – 3,68

Cr 1,57 – 1,72

Mo 0,3 – 0,39

V 0,09 – 0,16

P + S 0,003 – 0,016

Fe Rest, abgesehen von Verunreinigungen
Das Dokument US-A-4,985,201 betrifft niederlegierte Stähle für Elektrogenerator-Rotoren, mit einem Stahl "A90" mit hohem Chromgehalt mit folgender Zusammensetzung:

C max.0,28

Si nicht angegeben

Mn max.0,4

Ni 3,25 – 3,75

Cr 1,5 – 2,0

Mo 0,25 – 0,45

V 0,09 – 0,15

Fe Rest, abgesehen von Verunreinigungen
Unser Dokument EP-A-384 181 offenbart als Vergleichsbeispiele (Proben 6, 22) Stähle mit der folgenden Zusammensetzung:

C 0,23

Si 0,05

Mn 0,30

Ni 3,56

Cr 1,66

Mo 0,40

V 0,12

P 0,009

S 0,012

Fe Rest, abgesehen von Verunreinigungen,

die beide eine 50%-FATT von –20°C aufweisen, siehe die Tabellen 2 und 6.
Die existierenden Stähle sind gut, jedoch sind sie nicht ausreichend gut für die neuen, ins Auge gefassten großen Generatoren. Z. B. haben wir berechnet, dass das Rotorwellenmaterial für einen Generator der 900-MVA-Klasse eine Zugfestigkeit von mindestens 93 kg/mm², eine 0,02%-Umformfestigkeit von mindestens 74 kg/mm², eine FATT unter 0°C und solche magnetische Eigenschaften aufweist, dass die Magnetfeldstärke bei 21 kG kleiner als 990 AT/cm ist. Hinsichtlich einer Rotorwelle für einen 1200-MVA-Generator beträgt die berechnete Zug festigkeit mindestens 100 kg/mm², und hinsichtlich einer Rotorwelle für einen 1300-MVA-Generator beträgt sie mindestens 104 kg/mm².
Es ist zu beachten, dass z. B. das oben angegebene Material der ASTM-Klasse 8 ganz unangemessen zum Herstellen eines Rotorwellenmaterials für derartige Generatoren ist. Erstens ist es nicht ausreichend fest. Ferner besteht die Tendenz, wenn die Festigkeit erhöht wird, dass die Zähigkeit (die mittels der FATT bewertet werden kann) abnimmt. Demgemäß führt keines der bekannten Rezepte auf einen Weg zum Erfüllen dieser Erfordernisse.
Das hier angesprochene allgemeine Problem besteht darin, neue Rotorwellen aus Stahlzusammensetzungen, vorzugsweise aus Stahlzusammensetzungen mit verbesserter Festigkeit und Zähigkeit mit guten magnetischen Eigenschaften zu schaffen, die bevorzugter den oben angegebenen neuen Kriterien genügen.
Als Ergebnis von Untersuchungen haben die Erfinder bestimmte Wege herausgefunden, mittels denen hohe Festigkeit und Zähigkeit erzielt werden können, ohne dass die magnetischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Sie waren dazu in der Lage, Stähle herzustellen, die sogar die oben dargelegten bevorzugten Kriterien erfüllen.

Die Erfindung schafft einen niederlegierten Stahl und auch eine aus diesem Stahl bestehende Rotorwelle, wobei der Stahl die folgende Zusammensetzung aufweist:

C	0,15 bis 0,3%
Si	weniger als 0,05
Mn	weniger als 0,5%, mindestens 0,1%
Ni	3,5 bis 5%
Cr	mindestens 2,05%, weniger als 3,5%
(Mo + W)	0,1 bis 1,0%, wobei gegebenenfalls W vorhanden ist
V	0,03 bis 0,35
Al	0,0005% bis 0,006%

gegebenenfalls von 0,001 bis 0,05% eines Elements der Gruppe IIa oder IIIa, gegebenenfalls bis zu 0,2% Ti, Zr, Hf, Nd und/oder Ta, Rest Fe, abgesehen von Verunreinigungen.

Insbesondere enthält diese Zusammensetzung mehr Chrom als bisher auf diesem Gebiet der Technik verwendet. Bisher wurde angenommen, dass Stahl, der mehr als 2% Chrom enthält, unangemessene magnetische Eigenschaften aufweist. Die Erfinder haben herausgefunden, dass dann, wenn eine oder mehrere andere Komponenten unter speziellen Grenzen gehalten werden, der Chromgehalt erhöht werden kann (wodurch die Härte und die Zähigkeit erhöht werden), ohne dass die magnetischen Eigenschaften verdorben werden. Insbesondere führt dieser Gesichtspunkt zu einer Spezifikation von weniger als 0,05 Silizium in der Zusammensetzung.
Der Mangangehalt ist ebenfalls ziemlich niedrig: weniger als 0,5%.

Es hat sich auch herausgestellt, dass die Verringerung bestimmter anderer Bestandteile von nützlicher Bedeutung ist. Gemäß einer weiteren Erscheinungsform schafft die Erfindung einen Stahl oder eine aus einem solchen Stahl hergestellte Rotorwelle, wobei der Stahl die folgende Zusammensetzung aufweist:

C	0,15 bis 0,3%,
Si	weniger als 0,05
Mn	weniger als 0,5%, mindestens 0,1
Ni	3,5 bis 5
Cr	mindestens 2,05%, bis zu 3,5
(Mo + W)	0,1 bis 1% (wobei W wahlweise vorhanden ist)
V	0,03 bis 0,35%
Al	weniger als 0,006%
(P + S + Sn + Sb + As)	weniger als 0,03%
Rest Fe,	abgesehen von Verunreinigungen.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass ausgeprägt niedrige Mengen an Aluminium sowie der Gesamtsumme der Verunreinigungen Phosphor, Schwefel, Zinn, Antimon und Arsen ebenfalls zu guten Eigenschaften führen.
Der Gesamtgehalt der fünf genannten Verunreinigungselemente beträgt am bevorzugtesten nicht mehr als 0,01%, und das Produkt aus der Siliziumkonzentration und derjenigen der fünf Verunreinigungen beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,003.
Das Verhältnis zwischen Nickel und Chrom ist ebenfalls für Festigkeit und Zähigkeit des Materials von Bedeutung. Dieses Verhältnis Ni : Cr ist vorzugsweise kleiner als 2,3, bevorzugter kleiner als 2,1 und noch bevorzugter kleiner als 2,05.
Die bevorzugte Struktur des Stahls ist eine gleichmäßige Bainitstruktur, die wenig oder keinen Ferrit enthält.
Der Stahl oder eine aus ihm hergestellte Rotorwelle weist bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von mindestens 93 kg/mm², eine Übergangstemperatur bei 50% Bruchaussehen (FATT) unter 0°C, eine 0,02%-Umformfestigkeit von mindestens 74 kg/mm² und eine Magnetfeldstärke von weniger als 990 AT/cm bei 21 kG auf.
Ein Verfahren zum Herstellen einer der beschriebenen Stahlzusammensetzungen umfasst:
Schmelzen an Luft;
Vakuum-Pfannenfrischen oder Elektroschlacken-Umschmelzen;
Gießen und Heißschmieden;
Abschrecken bei 800°C bis 900°C und
Tempern bei 525°C bis 650°C für mindestens 10 Stunden.
Bevorzugte Merkmale, technische Konzepte in Zusammenhang mit der Erfindung sowie Anwendungen derselben werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen in gewissen Einzelheiten beschrieben.
1 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Chromgehalt und der Zugfestigkeit zeigt;
2 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Zugfestigkeit und dem Verhältnis von Nickel zu Chrom zeigt;
3 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Zugfestigkeit und dem Siliziumgehalt zeigt;
4 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der FATT, dem Nickelgehalt und dem Chromgehalt zeigt;
5 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der FATT und dem Siliziumgehalt zeigt;
6 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der FATT und dem Aluminiumgehalt zeigt;
7 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen magnetischen Eigenschaften und dem Siliziumgehalt zeigt;
8 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen magnetischen Eigenschaften und dem Gesamtgehalt bestimmter, im wesentlichen nicht-metallischer Verunreinigungen zeigt;
9 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen magnetischen Eigenschaften und dem Aluminiumgehalt zeigt;
10 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen magnetischen Eigenschaften und einem Parameter zeigt, der das Produkt aus verschiedenen Verunreinigungsgehalten ist;
11 ist eine Schnittansicht durch einen Turbinengenerator.
12 ist eine perspektivische Ansicht einer Rotorwelle des Generators; und
13 ist eine perspektivische Ansicht des zusammengebauten Rotors. Als erstes wird die Stahlzusammensetzung unter Bezugnahme auf ihre verschiedenen Einzelkomponenten erörtert.
KOHLENSTOFF
Kohlenstoff ist ein Element, das zum Verbessern der Härtbarkeit, was für Festigkeit erforderlich ist, notwendig ist. Wenn weniger als 0,15% vorhanden ist, wird unzureichende Härtbarkeit erzielt, und es besteht die Tendenz, dass sich eine weiche Ferritstruktur um den Stahlgegenstand herum ausbildet, wodurch unzureichende Zugfestigkeit und Umformfestigkeit erzielt werden. Bei mehr als 0,3 ist die Zähigkeit verringert. Demgemäß beträgt der Kohlenstoffgehalt 0,15 bis 0,3%, oder vorzugsweise 0,20 bis 0,28%.
SILIZIUM UND MANGAN
Herkömmlich werden diese Elemente als Deoxidationsmittel zugegeben. Jedoch haben neue Stahlherstelltechnologien wie ein Kohlenstoff-Deoxidationsprozess unter Verwendung von Vakuum-Pfannenfrischen und des Elektroschlacken-Umschmelzprozesses den Bedarf an derartigen Elementen beim Herstellen fehlerfreier Artikel erübrigt. Um Sprödigkeit aufgrund eines Temperungsvorgangs zu verhindern, sollten die Mengen an Silizium und Mangan niedrig gehalten werden. Der Siliziumgehalt beträgt weniger als 0,05% und der von Mangan weniger als 0,5%, bevorzugter weniger als 0,25% und am bevorzugtesten weniger als 0,2%. Silizium ist im allgemeinen als Verunreinigung von 0,01 bis 0,1 enthalten, so dass es nicht erforderlich ist, es speziell zuzugeben. Jedoch ist es im allgemeinen erwünscht, etwas Mangan hinzuzufügen; die Menge sollte mindestens 0,05% (nicht beansprucht) oder vorzugsweise mindestens 0,1% (erfindungsgemäß) betragen.
Unter bestimmten Umständen kann es zugelassen werden, dass die Menge an Silizium über den oben angegebenen Wert ansteigt. Siehe hierzu das Folgende.
NICKEL
Nickel ist zum Verbessern der Härtbarkeit und der Zähigkeit wesentlich. Bei weniger als 3,0% existiert unzureichende Zähigkeit. Wenn eine große Menge verwendet wird, nämlich über 5%, tritt eine schädliche Austenit-Reststruktur auf, so dass das gewünschte, gleichmäßig getemperte Bainit nicht erhalten wird. Daher werden mindestens 3,5% verwendet. Umgekehrt sollte die Menge kleiner als 5% und vorzugsweise kleiner als 4,5% sein.
CHROM
Chrom hat merkliche Auswirkung auf eine Verbesserung der Härtbarkeit und Zähigkeit. Es verbessert auch die Korrosionsbeständigkeit. Bei mehr als 3,5 % besteht die Tendenz, dass eine Austenit-Reststruktur hervorgerufen wird. Mindestens verwendet wird 2,05%, jedoch vorzugsweise weniger als 3% und noch bevorzugter weniger als 2,6%.
MOLYBDÄN
Molybdän fällt während des Temperns feines Carbid in den Kristallkörnern aus, was die Zugfestigkeit und die Umformfestigkeit aufgrund eines Vorgangs erhöht, der die Carbidverteilung festigt. Es wirkt auch dahingehend, die Segregation von Verunreinigungen an Kristallkorngrenzen zu beschränken. Es kann Sprödigkeit aufgrund eines Temperungsvorgangs verhindern. Um diese Wirkungen zu gewährleisten, sind mindestens 0,1% erforderlich. Über 1,0% besteht jedoch die Tendenz, dass die Wirkungen in Sättigung gehen. Der bevorzugte Bereich beträgt 0,25 bis 0,6%, bevorzugter 0,35 bis 0,45%. Jedoch kann Mo in gewissem Ausmaß durch W ersetzt werden: siehe das Folgende.
VANADIUM
Wie Mo, so fällt auch V feines Carbid mit denselben erwünschten Effekten aus. Um diese Effekte zu erzielen, sollten mindestens 0,03% verwendet werden, vorzugsweise mindestens 0,05% und bevorzugter mindestens 0,1%. Über 0,35 % besteht die Tendenz, dass die Effekte in Sättigung gehen. Es sind nicht mehr als 0,2% bevorzugt, bevorzugter nicht mehr als 0,15%.
ALUMINIUM
Wir haben herausgefunden, dass übermäßige Mengen an Aluminium die Zähigkeit und die erwünschten magnetischen Eigenschaften verschlechtern. Völliges Fehlen von Al verringert die Festigkeit vollständig, so dass mindestens 0,0005% bei der Stahlherstellung verwendet werden sollten. Jedoch sollte die Menge niedrig gehalten werden, damit die Zähigkeit und die magnetischen Eigenschaften gut sind. Verwendet werden sollte nicht mehr als 0,006 % und bevorzugter nicht mehr als 0,005%.
Die Beziehung zwischen Si und Al ist nicht vollständig klar, was Versprödung betrifft.
ANDERE VERUNREINIGUNGEN: P, S, Sn, Sb und As
Für die meisten dieser Stoffe oder alle ist es üblich, dass sie als Verunreinigungen vorliegen. Jedoch verringern sie die Zähigkeit und die magnetischen Eigenschaften. Die Gesamtmenge beträgt wünschenswert weniger als 0,03%, bevorzugter weniger als 0,025%. Es ist schwierig, diese Elemente ganz zu beseitigen, jedoch ist es besonders erwünscht, die Gesamtsumme auf weniger als 0,01% herunterzubringen.
Wir haben auch eine Beziehung zwischen der Gesamtmenge an diesen Verunreinigungen und der Menge an Si herausgefunden, was die magnetischen Eigenschaften eines Stahls betrifft. Das Produkt aus dem Si-Anteil und einem Wert X (Summe der Konzentrationen der fünf obengenannten Verunreinigungen) beträgt vorzugsweise weniger als 0,003, bevorzugter weniger als 0,0015.
Ni/Cr
Das Verhältnis dieser Komponenten steht in Beziehung mit der Zugfestigkeit. Das Verhältnis soll im allgemeinen kleiner als 2,3 sein, vorzugsweise kleiner als 2,1 und bevorzugter kleiner als 2,05. Der bevorzugte Bereich ist 1,2 bis 2,05, wobei der bevorzugtere Bereich 1,4 bis 2,05 ist. Der Ni-Gehalt beträgt mehr als 3 %.
GRUPPE IIa, GRUPPE IIIa
Es kann ein Element oder mehrere der Gruppe IIa (Be, Mg, Ca) und/oder eines oder mehrere Elemente der Gruppe IIIa (Sc, Y, Lanthaniden) mit einer Menge bis zu 0,1% enthalten sein. Diese Elemente haben starken Deoxidationseffekt und können die Zähigkeit und die magnetischen Eigenschaften verbessern. Die bevorzugte Menge beträgt 0,001 bis 0,05%. Dabei sind nicht-radioaktive Elemente vom Gesichtspunkt der Handhabung her bevorzugt.
ANDERE ELEMENTE
Es kann Ti, Zr, Hf, Nd, Ta und/oder W mit Mengen von weniger als 0,2 Gew-% enthalten sein, was mit einer Erhöhung der Festigkeit ohne Verringerung der Zähigkeit verträglich ist. Die bevorzugte Menge beträgt 0,02 bis 0,1%. W wirkt auf dieselbe Weise wie Mo, wie oben angegeben, so dass W einen Teil von Mo ersetzen kann.
Demgemäß kann die Menge von Mo + W 0,1 bis 1,0% betragen. Die Menge an W beträgt vorzugsweise nicht mehr als die Hälfte der Gesamtmenge. Mo muss vorhanden sein, jedoch ist W optional.
Der Stahl sollte eine getemperte Bainitstruktur aufweisen, und er sollte weniger als 5% Ferrit enthalten. Hinsichtlich der Festigkeit und Zähigkeit ist eine gleichmäßige Gesamtstruktur von Bainit bevorzugt.
Das Erzielen guter magnetischer Eigenschaften beruht auf einer Verringerung einer oder mehrerer bestimmter Verunreinigungen.
Um Silizium beträchtlich zu verringern, wird geschmolzenes Metall durch Vakuum-Pfannenfrischen oder durch Elektroschlacken-Umschmelzen nach dem Schmelzen an Luft erhalten. Das geschmolzene Metall wird in eine Form gegossen und auf die gewünschte Form heißgeschmiedet. Anschließend wird es von ungefähr 800 bis 900°C aus abgeschreckt und dann für mindestens 10 Stunden bei 525 bis 650°C getempert. Die Abschrecktemperatur ist wünschenswert 30 bis 70°C höher als der Punkt Ac₃, am bevorzugtesten ungefähr 50°C höher. Tempern erhöht die Zähigkeit. Die bevorzugte Temperatur ist 540 bis 625°C, vorzugsweise für 10 bis 80 Stunden. Nach dem Tempern wird die endgültige Form durch Spanabhebung hergestellt. Spanabhebung erzeugt Innenspannungen, so dass ein Spannungsabbauglühen bei einer Temperatur unter der Tempertemperatur ausgeführt wird. Ferner erfolgt Homogenisierungsglühen bei einer Temperatur, die ungefähr 50° höher als die Abschrecktemperatur ist, gefolgt von langsamem Abkühlen.
Beim Abschrecken beträgt die Abkühlgeschwindigkeit vorzugsweise 50 bis 300°C pro Stunde in der Mitte einer Rotorwelle. Dies ermöglicht die Ausbildung einer Bainitstruktur über die gesamte Welle.
Wie angegeben, kann die Siliziummenge im Bereich von 0,1 bis 0,3% eingestellt werden, vorausgesetzt, dass die Aluminiummenge unter 0,01% gehalten wird. Wenn der Siliziumgehalt höher ist, können gute Eigenschaften auch dann erzielt werden, wenn die Gesamtmenge an P, S, Sn, Sb und As niedrig gehalten wird, wünschenswert auf weniger als 0,025%. Dem Fachmann ist es bekannt, wie die Mengen der letzteren verringert werden können, wobei jedoch die Wichtigkeit für den vorliegenden Fall bisher nicht offenbart ist.
MERKMALE VON ELEKTROMASCHINEN
Die Verwendung der bereits genannten Legierungsstähle ermöglicht es, die Rotorwelle von Elektromaschinen dadurch kompakt auszubilden, dass der Durchmesser des Körpers, in den eine Spule eingebettet wird, auf mehr als 1 m eingestellt wird und die Menge des Körpers auf das 5,5- bis 6,5-fache des Durchmessers eingestellt wird. Ein Verhältnis von weniger als 5,5 oder ein solches über 6,5 ist vom Gesichtspunkt der Schwingungen aus nicht erwünscht. Insbesondere ist 5,6 bis 6,0 wünschenswert.
Obwohl der Durchmesser des Körpers in Verbindung mit einer Leistungs erhöhung des Generators vergrößert werden muss, sollte er weniger als 0,2 mm pro 1 MVA der Leistung zuzüglich 1000 mm und über 0,2 mm pro 1 MVA zuzüglich 900 mm betragen.
Ferner sollte der Durchmesser des Körpers D (m) abhängig von der Drehzahl (U/min.) so eingestellt werden, dass der Wert (D² × R²) mehr als 1,0 × 10⁷ beträgt. Insbesondere ist es erwünscht, dass die Obergrenze 3,0× 10⁷ oder bevorzugter 1,5 bis 2,2 × 10⁷ und am bevorzugtesten 1,8 bis 2,0 × 10⁷ beträgt.
Obwohl die Tendenz besteht, dass ein Generator oder Motor mit größerer Leistung/Abgabe größer ist, ermöglicht die Verwendung eines Legierungsstahls hoher Festigkeit, wie oben angegeben, eine kompakte Anlage, insbesondere dahingehend, dass die Leistung pro Stellfläche 0,08 bis 0,12 m² pro 1 MVA Leistung beträgt. Demgemäß nehmen die Energieverluste ab und der Wirkungsgrad steigt. Ferner kann der Statorstrom relativ zur Leistung verringert werden, insbesondere so, dass der Strom 19,0 bis 24 A pro 1 MVA der Generator- oder Motorleistung beträgt. Bei einer Leistung von 2000 MVA ist es möglich, den Strom auf 19,0 bis 20,0 A zu verringern. Dabei wird der Rotor mit Wasserstoff gekühlt. Abhängig von der Ausgangsleistung des Generators muss der Wasserstoffdruck jedoch erhöht werden, und der Druck kann pro 1 MVA auf 0,003 bis 0,006 kg/cm² eingestellt werden. Insbesondere ist ein Wert von 0,004 bis 0,005 kg/cm²·g erwünscht.
Derartige Wellen können für Generatoren oder Motoren verwendet werden. Hinsichtlich Motoren stehen Synchronmotoren, Synchrongeneratormotoren und Induktionssynchronmotoren zur Verfügung. Die Konstruktionen von Motoren und Generatoren sind beinahe gleich. Vorzugsweise verwenden wir einen Motor hoher Drehzahl, der eine Drehzahl von über 5000 U/min. erreicht.
Die Zugfestigkeit der Rotorwelle beträgt wünschenswert mehr als 93 kg/mm² oder bevorzugter mehr als 100 kg/mm², und speziell ist es erwünscht, die Zusammensetzung so einzustellen, dass mehr als 104 kg/mm² erreicht werden. Dabei ist es erwünscht, dass die Übergangstemperatur bei 50%-Bruchaussehen weniger als 0°C und bevorzugter weniger als –20°C beträgt. Die Kristallkorngrößenzahl beträgt wünschenswert mehr als 4 (ASTM-Kristallkorngröße). Außerdem ist es hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften erwünscht, dass die Magnet feldstärke bei 21 kG Magnetflussdichte weniger als 990 AT/cm und bei 20 kG weniger als 400 AT/cm beträgt. Bevorzugter ist es erwünscht, dass sie bei der ersteren Bedingung weniger als 500 AT/cm beträgt.
Nun werden Ausführungsformen speziell und beispielhaft beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
Die Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung verschiedener Stahlproben. In einem Hochfrequenz-Induktionsschmelzofen wurde ein Barren von 20 kg hergestellt und bei 850 bis 1150°C zu einer Dicke von 30 mm und einer Breite von 90 mm geschmiedet. Die Proben Nr. 2 bis 4, 6 und 15 sind die Erfindung verkörpernde Materialien. Die anderen dienen zum Vergleich. Nr. 1 ist ein Material, das dem ASTM-Standard A469-88 für die Klasse 8 für Generator-Rotonivellenmaterial entspricht. Nr. 5 ist ein Material, das einen relativ hohen Al-Gehalt aufweist. Diese Proben erfuhren eine Wärmebehandlung durch Simulieren der Bedingungen für das Zentrum einer Rotorwelle mit großen Abmessungen für einen Generator hoher Leistung. Als erstes wurden sie auf 840°C erwärmt, um eine Austenitstruktur auszubilden, und zum Härten wurden sie mit einer Geschwindigkeit von 100°C/h abgekühlt. Dann wurden die Proben erwärmt und für 32 Stunden bei 575 bis 590°C gehalten und dann mit einer Geschwindigkeit von 15°C/h abgekühlt. Ein Tempern erfolgte bei einer solchen Temperatur, dass eine Zugfestigkeit im Bereich von 100 bis 105 kg/mm² für jede Probe gewährleistet war.
Nr. 7 bis 12 sind ebenfalls Stähle zum Vergleich. Sie wurden für 16 bis 34 Stunden erwärmt und bei 820°C aufbewahrt, mit einer Geschwindigkeit von 100°C/h abgeschreckt und dann für 40 bis 50 Stunden zum Tempern auf 625 bis 635°C erwärmt und dort aufbewahrt, und sie wurden im Ofen mit einer Geschwindigkeit mit 15°C/h abgekühlt.
Nr. 13 und 14 sind weitere Stähle zum Vergleich. Nach homogenisierendem Glühen bei 900°C für 2 Stunden wurden sie bei 850°C für 2 Stunden austenitisiert, durch Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 120°C/h gehärtet, ferner für 60 Stunden bei 575°C gehärtet und dann mit einer Geschwindigkeit von 40°C/h abgekühlt.
Keine der Proben Nr. 2 bis 6 sowie 15 aus Ni-Cr-Mo-V-Stahl enthält proeutektoiden Ferrit. Sie weisen gleichmäßige, getemperte Bainitstruktur auf. Die Kristallkorngrößenzahl der ursprünglichen Austenitkörner beträgt jeweils 7. Nr. 1, 5 und 14 der anderen Legierung weisen ebenfalls gleichmäßige, getemperte Bainitstruktur auf. Bei Nr. 13 fanden sich ungefähr 5% an proeutektoidem Ferrit.
Tabelle 1
Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse von Zugtests, Schlagtests sowie Tests zu magnetischen und elektrischen Eigenschaften. Die Magnetfeldstärken in der Tabelle wurden bei 20 kG und 21 kG erhalten. Die in der Tabelle dargestellten Daten sind die bei 21 kG.
Tabelle 2
Wie in der Tabelle dargestellt, weisen die niederlegierten Stähle Nr. 2 bis 4, 6 und 15 hohe Festigkeit und Zähigkeit auf, wobei die Zugfestigkeit mehr als 100 kg/mm², die 0,02%-Umformfestigkeit mehr als 78 kg/mm² und die Übergangstemperatur bei 50%-Bruchaussehen weiter unter 0°C oder unter –50°C liegt. Ferner genügt die Magnetfeldstärke dem Erfordernis von weniger als 990 AT/cm, wobei die für Generator-Rotorwellen erforderliche Magnetfeldfestigkeit bei 21 kG über 900 MVA liegt, und der elektrische Widerstand beträgt wegen des hohen Cr-Gehalts über 30 μ-Ωcm, so dass dieses Material als Rotorwellenmaterial eines Generators mit großer Leistung über 900 MVA sehr nützlich ist.
Nun werden die Wirkungen der verschiedenen Bestandteile in Beziehung zu den speziellen Beispielen und Vergleichsbeispielen betrachtet.
1 ist ein Diagramm, das den Einfluss des Cr-Gehalts auf die Zugfestigkeit zeigt. Die Zugfestigkeit steigt an, wenn die Cr-Menge zunimmt, wenn die Ni-Menge 2,60 bis 4,15% beträgt. Insbesondere dann, wenn die Cr-Menge 1,4 übersteigt, nimmt die Zugfestigkeit schnell zu, so dass der Effekt von Cr groß ist. Wenn die Menge 2,0% überschreitet, kann hohe Zugfestigkeit über 100 kg/mm² erhalten werden.
2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zum Ni/Cr-Verhältnis zeigt. Die Zugfestigkeit nimmt ab, wenn das Ni/Cr- Verhältnis zunimmt. Insbesondere wird höhere Festigkeit dadurch erhalten, dass das Ni/Cr-Verhältnis auf kleiner als 2,1 eingestellt wird. Während Beziehung zur Ni-Menge besteht, wird eine weit höhere Festigkeit über 100 kg/mm² erhalten, wenn sichergestellt wird, dass eine hohe Ni-Menge über 3,5% vorhanden ist. Dies wird dadurch erhalten, dass das Ni/Cr-Verhältnis unter 2,3 und Ni unter 3,5% eingestellt werden, und zwar angesichts einer Sollzugfestigkeit von 93 kg/mm². In diesem Fall ist es, wenn Ni weniger als 3% beträgt, schwierig, diese Zugfestigkeit zu erzielen.
3 zeigt den Zusammenhang mit der Si-Menge, und sie zeigt, dass die Festigkeit mit zunehmender Si-Menge ansteigt. Wenn die Si-Menge mehr als 0,17 beträgt, werden 93 kg/mm² erhalten, wenn Cr und Ni auf 1,3 bis 1,8% bzw. 2,6 bis 3,5% eingestellt werden, während dann, wenn Cr 2% überschreitet, wenn Si den niedrigen Wert von 0,1% oder weniger aufweist, mehr als 93 kg/mm² oder insbesondere mehr als 100 kg/mm² erhalten werden.
4 ist ein Diagramm, das den Einfluss des Ni- oder Cr-Gehalts auf die Übergangstemperatur bei 50%-Bruchaussehen zeigt. Wenn der Gehalt an Ni oder Cr ansteigt, sinkt die FATT ab, und insbesondere dann, wenn Si weniger als 0,1 % ist, wird eine FATT von unter 0°C erhalten, wenn dafür gesorgt wird, dass der Gehalt an Cr mehr als 0,5% beträgt.
5 ist ein Diagramm, das den Einfluss der Si-Menge auf die FATT zeigt. Wenn die Si-Menge abnimmt, nimmt die FATT ab, was hohe Zähigkeit gewährleistet. Insbesondere kann, wenn Ni 2,5 bis 3,0% beträgt und Cr 1,3 bis 1,8% beträgt, die FATT dadurch unter 0°C abgesenkt werden, dass die Si-Menge auf unter 0,08% eingestellt wird, und wenn Ni 3,5 bis 4,0% und Cr 1,5 bis 2,2% beträgt, kann der Wert dadurch auf unter 0°C abgesenkt werden, dass die Si-Menge auf unter 0,13% eingestellt wird. Wenn Cr über 2,2% und Ni über 3,5% beträgt, kann die FATT dadurch auf unter 0°C abgesenkt werden, dass die Si-Menge auf weniger als 0,20% eingestellt wird.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der FATT und dem Al-Gehalt zeigt. Der Al-Gehalt erhöht die FATT. Wenn Cr 2,05 bis 2,2% beträgt und Ni 3 bis 4% beträgt, kann die FATT dadurch unter 0°C abgesenkt werden, dass die Al-Menge auf unter 0,014% eingestellt wird. Wenn Cr 2,2 bis 2,5% beträgt und Ni 3,5 bis 4,5% beträgt, kann der Wert dadurch auf unter 0°C abgesenkt werden, dass die Al-Menge auf unter 0,018% eingestellt wird. Wenn Cr nahe bei 1,65% liegt, ist es selbst dann, wenn die Ni-Menge den hohen Wert von 3,5% aufweist, schwierig, die FATT unter 0°C zu senken, wenn die Al-Menge verringert wird.
7 zeigt die Beziehung zwischen der Magnetfeldstärke und der Si-Menge. Da eine Zunahme der Si-Menge die Magnetfeldstärke erhöht, wie in der Figur dargestellt, sollte für die vorliegenden Zwecke die Si-Menge so klein wie möglich sein. Insbesondere dann, wenn Cr mit 1,5 bis 2,5% vorliegt und Ni mit 2,5 bis 4,5% vorliegt, kann die Magnetfeldstärke bei 21 kG dadurch auf unter 990 AT/cm heruntergedrückt werden, dass die Si-Menge auf weniger als 0,18% eingestellt wird. Insbesondere dann, wenn die Si-Menge weniger als 0,18% beträgt, wird eine Magnetfeldstärke von weniger als 700 AT/cm erhalten.
8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Magnetisierungskraft und der Gesamtmenge an P, S, Sn, Sb und As zeigt. Diese Verunreinigungen sind unerwünscht, da sie die Magnetfeldstärke erhöhen, und ihre Konzentration sollte weniger als 0,40% betragen, um die Magnetfeldstärke auf unter 990 AT/cm einzustellen. Insbesondere sollte sie weniger als 0,3% betragen, um sie auf unter 700 AT/cm zu senken.
9 zeigt die Beziehung zwischen der Magnetfeldstärke und dem Al-Gehalt. Wie in der Figur dargestellt, ist Al unerwünscht, da es die Magnetfeldstärke erhöht. Wenn Cr 1,5 bis 2,5% beträgt und Ni 2,5 bis 4,5% beträgt, sollte die Al-Menge selbst dann, wenn die Si-Menge weniger als 0,1% ausmacht, unter 0,025 % liegen, um eine Magnetfeldstärke von weniger als 990 AT/cm zu erzielen. Insbesondere zum Erzielen einer Magnetfeldstärke von weniger als 700 AT/cm sollte die Al-Menge auf unter 0,015% gesenkt werden. Wenn die Si-Menge 0,1% überschreitet, sollte die Al-Menge mindestens 0,01% betragen.
10 zeigt den Einfluss der Si-Menge multipliziert mit der Gesamtmenge an P, S, Sn, Sb und As auf die Magnetfeldstärke, und je höher dieser Wert ist, um so unzweckmäßiger ist dies, da die Magnetfeldstärke ansteigt. Die Magnetfeldstärke kann dadurch auf unter 990 AT/cm gesenkt werden, dass der Wert auf weniger als 70 × 10^-4 eingestellt wird.
Ausführungsbeispiel 2
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse eines Zugtests, eines Schlagtests und eines Tests zu magnetischen Eigenschaften für Proben, die dadurch hergestellt wurden, dass die Stärke der erfindungsgemäßen Stähle Nr. 2 bis 4 und 6 erhöht wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die Tempertemperatur um 5°C niedriger als beim Ausführungsbeispiel 1 eingestellt.
Wie aus der Tabelle ersichtlich, erfüllen die die Erfindung verkörpernden Materialien das mechanische Funktionsvermögen und die magnetischen Eigenschaften, wie sie sogar für Generator-Rotonnrellen der Klasse 1200 MVA und der Klasse 1300 MVA erforderlich sind, wobei sich eine Zugfestigkeit von mehr als 105 kg/mm², eine 0,02%-Umformungsfestigkeit von mehr als 82 kg/mm², eine FATT unter –44°C und eine Magnetfeldstärke unter 400 AT/cm ergibt. So kann gesagt werden, dass diese Materialien sehr nützlich sind, z. B. für eine Generator-Rotorwelle hoher Leistung aus der Klasse > 1200 MVA.
Tabelle 3
Ausführungsbeispiel 3
Wechselstrom-Turbinengeneratoren für Wärme- und Kernkraftwerke sind im allgemeinen 2- oder 4-polige, zylindrische Drehfeld-Synchrongeneratoren.
Die meisten Wärmekraftwerk-Turbinengeneratoren sind 2-polige Generatoren für hohe Drehzahl. Die Drehzahl beträgt 3000 U/min. bei 50 Hz und 3600 U/min. bei 60 Hz. Dies, da der Wirkungsgrad um so größer wird und die Größe um so kleiner wird, je höher die Drehzahl ist. In den meisten Fällen wird ein Tandem-Verbundgenerator verwendet, der seine Ausgangsleistung mittels einer einzelnen Achse erzeugt. Die meisten Maschinen großer Leistung sind vom Kreuzverbundtyp, wobei sie ihre Ausgangsleistung mittels zweier Achsen erzeugen, wodurch mehr erzeugt werden kann als beim Tandemverbundtyp.
Ein Kernkraftwerk-Turbinengenerator ist im allgemeinen vom 4-poligen Typ und wird bei 1500 U/min. oder 1800 U/min. verwendet. Dies, da von einem Kernreaktor eine größere Menge an Dampf bei niedrigerer Temperatur und niedrigerem Druck erzeugt wird und die Turbine lange Blätter aufweist und sich mit niedriger Drehzahl dreht.
Als Kühlverfahren für einen Turbinengenerator stehen ein indirektes Kühlverfahren und ein direktes Kühlverfahren zur Verfügung, und als Kühlmedium werden Luft, Wasserstoff und Wasser verwendet.
Das Wasserstoffkühlverfahren wird für Maschinen großer Leistung verwendet, und es ist in indirekte und direkte Verfahren unterteilbar. In beiden Fällen wird eine explosionssicher abgedichtete Struktur mit einem Gaskühler innerhalb des Generatorhauptkörpers verwendet. Im Fall des Wasserkühltyps wird ein direktes Kühlverfahren verwendet, und bei Maschinen großer Leistung wird ein Wasserkühlverfahren manchmal sowohl für den Stator als auch den Rotor verwendet.
11 zeigt ein Beispiel für einen Turbinengenerator mit direkter Wasserkühlung der Statorwicklung, wobei es sich um ein Ausführungsbeispiel einer hier angesprochenen Erscheinungsform handelt.
Der Statorkäfig, der aus geschweißten Stahlplatten besteht, bildet einen Luftpfad, trägt den Eisenkern und verhindert Schwingungen. Der Eisenkern wird aufgrund magnetischer Anziehungskräfte in ovale Form verformt, so dass bei Drehung des Rotors eine Schwingung mit der doppelten Frequenz erzeugt wird. Da diese Schwingung abhängig von der Maschinengröße zunimmt, wird eine elastische Trägerstruktur dadurch verwendet, dass der Eisenkern und der Statorkäfig über eine Feder angebracht werden.
Für den Statoreisenkern 2 wird eine Siliziumstahlplatte mit 0,35 oder 0,5 mm Dicke verwendet, und diese Platte hat richtungsabhängige Eigenschaften. Der Eisenkern wird dadurch hergestellt, dass 50 bis 60 mm in axialer Richtung aufeinander laminiert werden und ein I-förmiger Abstandsstahl eingeführt wird, um einen Luftkanal auszubilden.
Im allgemeinen wird für die Statorwicklung 7 eine zweischichtige Wicklung verwendet, und im Fall eines 2-Pol-Typs muss sie sicher festgehalten werden, da das Wicklungsende verlängert ist. In diesem Fall wird für die Struktur am Ende ein unmagnetisches Material verwendet, da Verluste aufgrund der beweglichen Belastung zunehmen.
Eine bemerkenswerte Eigenschaft eines Turbinengenerators ist es, dass er mit hoher Drehzahl dreht, und der Rotordurchmesser ist aufgrund der großen Zentrifugalkraft beschränkt. Der Rotor wird als einstöckiger Körper geschmiedet, um mechanische Festigkeit zu gewährleisten, die gefährliche Geschwindigkeiten und Schwingungen verhindert, und er wird so verarbeitet, dass er einen Schlitz aufweist, in den eine Feldwicklungsspule eingebaut wird. Die 12 und 13 zeigen die Form des Rotors 1.
Die Hauptwelle besteht aus einem Ni-Cr-Mo-V-Stahl, vorzugsweise vom oben beschriebenen Typ. Obwohl es nicht veranschaulicht ist, ist ein Fixierring 17 für einen Lüfter 20 zwischen einem Flansch 15 und einem Zentrierring 18 vorhanden.
Die Feldwicklungsspule 3 ist verteilt, und sie ist in die Schlitze eines Rotoreisenkerns zwischen Zähnen 12 eingewickelt, mit einer Ausbildung durch Einwickeln eines flachen Kupferbands, wobei eine Isolatorschicht in eine einzelne Windung des Leiters eingefügt ist. Das Ende der Wicklungsspule wird durch einen Festhaltering 9 gehalten. Im allgemeinen wird anstelle von Kupfer für die Spule ein Silber enthaltendes Kupfer mit hervorragenden Kriecheigenschaften verwendet.
Hinsichtlich des Festhalterings 9 wird ein unmagnetischer, rostfreier Stahl mit weniger als 0,1% C, mehr als 0,4% N 10 – 25% Mn und 15 – 20% Cr verwendet. Nachdem der Wicklungsdraht 3 eingebettet ist, wird er mittels eines Keils 13 befestigt, der aus einer Ultra-Duralmin-Legierung besteht. Für den Enddämpferring 14 wird ein stirnseitiger Dämpfer oder ein solcher über die gesamte Länge verwendet, und für das Ende bzw. den Körper wird eine Al-Legierung bzw. Silber enthaltendes Kupfer verwendet. 8 bezeichnet eine Welle, 11 bezeichnet einen Magnetpol und 15 bezeichnet eine Kupplung.
Es ist schwierig, eine Maschine großer Leistung über 1000 MVA gleichmäßig zu kühlen, da der Eisenkern lang ist, weswegen ein Duplexbelüftungsverfahren verwendet wird.
Bei diesem Verfahren werden Luftversorgungskammern und Abluftkammern in verschiedenen Sektionen abwechselnd innerhalb des Statorkäfigs im hinteren Teil des Eisenkerns angeordnet, Kühlluft wird in jeder Luftversorgungskammer von den beiden Enden des Generators her über einen Luftkanal im Statorkäfig gesammelt, um den Statoreisenkern zu kühlen. Dann fließt diese Luft zusammen mit der Luft, die das Innere des Rotors kühlt, zur Außenfläche und erreicht über den Kühler die Saugseite, wobei sie im Inneren zirkuliert.
Der Gasdruck zur Kühlung mit Wasserstoff beträgt 2 atg für einen indirekten Wasserstoffkühler und 2 bis 5 atg für einen direkten Wasserstoffkühler. Da dann, wenn der Wasserstoffgasdruck ansteigt, die Wärmekapazität des Gases proportional zur Dichte zunimmt, wenn die Wärmeübertragungsrate ansteigt, verringert sich der Temperaturanstieg des Gases selbst umgekehrt proportional zum Absolutdruck des Gases, so dass der Kühleffekt zunimmt. Wenn angenommen wird, dass die Ausgangsleistung 100 beträgt, wenn 0,05 atg beim indirekten Kühlungstyp zur Verfügung stehen, beträgt die Ausgangsleistung einer Maschine derselben Dimension 115 bei 1 atg sowie 125 bei 2 atg.
Beim Wasserstoffkühlverfahren besteht Explosionsgefahr in einem Bereich, in dem das Wasserstoffvolumen bei Mischung mit Luft 10 bis 70% beträgt. Um einen Unfall hierdurch zu vermeiden, wird die Wasserstoffreinheit automatisch über 90% gehalten, und innerhalb des Lagers ist eine Abdichtungseinrichtung vorhanden, um zu verhindern, dass Wasserstoffgas entlang der Achse über einen Ölfilm ausleckt. Gasleckage wird dadurch verhindert, dass ein Öl mit höherem Druck als dem des Wasserstoffgases innerhalb des Zwischenraums auf der Welle durchgepumpt wird.
Selbst wenn der Stator in einem Turbinengenerator mit Wasserstoffkühlung indirekt gekühlt wird, wird der Rotor häufig direkt gekühlt.
Wenn die Maximaltemperatur eines Generator-Wicklungsleiters die Ausgangsleistung begrenzt, wird der Leiter direkt mit Kühlmedium gekühlt, um eine Temperaturdifferenz zu einem Isolator, der einen großen Teil belegt, während eines Temperaturanstiegs zu beseitigen.
Als Kühlmedien sind Wasserstoffgas, Öl und Wasser verfügbar. Wasser hat eine Wärmeübertragungskapazität, die ungefähr das 50-fache derjenigen von Luft ist, und es zeichnet sich als Kühlmedium aus.

(1) Hier wird ein Beispiel für eine Statorwicklung mit direkter Kühlung durch Wasserstoffgas angegeben, wobei Gas in ein quadratisches, gebogenes Rohr eingespeist wird, das zwischen Strängen angeordnet ist, um den Leiter direkt zu kühlen. Obwohl ein Teil der im Leiter erzeugten Wärme über einen Hauptisolator mit großem Wärmewiderstand an einen Eisenkern übertragen wird, wird die meiste Wärme durch Wasserstoffgas über kleine Kühlleitungen mit kleinem Wärmewiderstand abgeführt. Als Kühlflüssigkeit wird reines Wasser mit großer spezifischer Wärme und großem Wärmeübertragungskoeffizienten durch Konvektion verwendet. Rostfreier Stahl wird für Leitungen verwendet, die als Flüssigkeitspfad dienen, und für eine Windung und eine Klammer am Wicklungsende wird sauerstofffreies Kupfer oder deoxidiertes Kupfer verwendet. Für eine isolierte Verbindungsleitung wird eine PTFE(Teflon)-Leitung mit hoher mechanischer Festigkeit und Flexibilität und hervorragender Isolierung verwendet. Die Statorwicklung hat dort, wo Flüssigkeit strömt, hohlen Querschnitt.
(2) Als Kühlmedium für den Rotor wird Wasserstoffgas oder Wasser verwendet, und es steht das folgende Verfahren zur Verfügung. Beim stirnseitigen Einspeiseverfahren wird Wasserstoffgas, nachdem es vom Rotorende her in die Rotorwicklung eingedrückt wurde, durch ein Loch, das im Zentrum des Rotors vorhanden ist, in den Luftspalt hinein ausgegeben. Zusätzlich ist auch ein Verfahren erwünscht, bei dem Wasserstoffgas in das Kupferband der Wicklung von einem Ende des Rotors her eingeleitet wird und es am anderen Ende ausgegeben wird.

Für die Querschnittsform der Rotorwicklung ist entweder der Umgehungstyp oder der Hohlkupfertyp verfügbar. Wenn einer dieser Typen verwendet wird, ist ein direktes Gaskühlverfahren ebenfalls für die Statorwicklung verfügbar, und es ist ein Hochdruckgebläse an einem Ende des Rotors angebracht.
Beim Luftspaltaufnahmeverfahren sind ein Saugloch und ein Auslassloch abwechselnd an der Oberfläche des Rotors vorhanden, und unter Verwendung der durch die Drehung hervorgerufenen Windgeschwindigkeit wird Wasserstoffgas im Luftspalt von der Spulenkeilfläche abgesaugt, wobei dafür gesorgt wird, dass es innerhalb des Kupferbands der Wicklung mit vorgegebenem Abstand fließt, um erzeugte Wärme zu entziehen, und dann wird es durch das Belüftungsloch an den Luftspalt ausgegeben. Oder es wird dafür gesorgt, dass Wasser innerhalb eines rotierenden Objekts strömt.
Ein Wasserkühlverfahren macht den Aufbau komplizierter, als er beim Wasserstoffgas-Kühlverfahren vorliegt, so dass dies hinsichtlich der Zuverlässigkeit von Nachteil ist. Jedoch ist das Gewicht des Generators 15 bis 25% leichter, so dass der Wirkungsgrad bei Teillast verbessert sein kann.
In der Figur bezeichnet 15 einen mit der Turbine verbundenen Flansch, 20 bezeichnet einen Lüfter, 21 bezeichnet eine Statorwicklung, 22 bezeichnet eine Bürste und 23 bezeichnet eine Feder.
12 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbinengenerator-Rotorwelle für große Leistung, nämlich eine Turbinenausgangsleistung von 1000 MW (1120 MVA hinsichtlich der Generatorleistung), wobei die Erfindung realisiert ist. Die diese Erfindung realisierende Rotorwelle wurde so hergestellt, wie es unten erläutert wird.
Um auf beinahe dieselbe Zusammensetzung wie derjenigen der beim Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Probe Nr. 2 hinzuzielen, wurde geschmolzenes Metall mit einer Menge von ungefähr 150 Tonnen, das durch Vakuum-Pfannenfrischen nach Aufschmelzen an Luft hergestellt wurde, in eine Form gegossen. Im nächsten Schritt wurde der Gießkörper durch eine Presse heißgeschmiedet, gestaucht (Schmiedeverhältnis: 1/2 U) und dann gestreckt (Schmiedeverhältnis: 3 S). Ferner wurde das Material, nachdem bei 900°C ein Ausgleichsglühen ausgeführt war, durch Spanabhebung zu einer speziellen Form ausgebildet, dann erwärmt und für 20 Stunden bei 840°C in einem Vertikalofen aufbewahrt und dann durch Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 100°C/h durch Einsprühen von Wasser in das Mittelloch gekühlt. Dann wurde das Material nach einem Aufheizen und Aufbewahren bei 580°C für 60 Stunden dadurch getempert, dass es mit einer Geschwindigkeit von 150°C/h abgekühlt wurde. Danach wurde es durch Spanabhebung in die in 12 dargestellte endgültige Form bearbeitet. Dieses Ausführungsbeispiel gilt für einen 2-poligen Typ, und 11 bezeichnet einen Magnetpol, 12 einen Zahn, 17 einen Lüftermontagering, 18 einen Festhaltering für einen Montagezentrierring und 19 das Mittelloch. Aus diesem Material wurde ein Teststück herausgenommen, um seine mechanischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften zu untersuchen. Der Zentrierring 18 wird beim Herstellen der Welle einstöckig ausgebildet, und ein Festhaltering wird durch Schrumpfpassung angebracht, nachdem Spanabhebung in Ringform erfolgte.
Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Gesamtlänge ungefähr 15 m, der Durchmesser des Körpers, auf dem Zähne vorhanden sind, beträgt 1,2 m und die Länge des Körpers beträgt ungefähr 7 m, was ungefähr das 5,7-fache des Durchmessers des Körpers ist. Die Maschinengröße beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel ungefähr 10 m³, wodurch die Empfindlichkeit des Rotors gegenüber Schwingungen verringert ist, so dass die Empfindlichkeit auf Ungleichgewichte innerhalb derselben Phase unterdrückt werden kann und gleichzeitig hohe Achsenstabilität erhalten wird, da die Flexibilität der Welle sinkt.
Die Maschinengröße ist durch (Außendurchmesser des Rotorkörpers)² × (Länge des Rotors) gegeben.
Die Beziehung zwischen der Maschinengröße der Rotorwelle und der Generatorleistung (MVA) liegt vorzugsweise in den durch die Ausdrücke 1 und 2 wiedergegebenen Bereichen.
Ausdruck 1 Maschinengröße (m3) = 4,7 + 3,2 × 10–3 × Generatorleistung (MVA) (Ausdruck 1) Ausdruck 2 Maschinengröße (m3) = 4,5 + 5,7 × 10–3 × Generatorleistung (MVA) (Ausdruck 2)
Die mechanischen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften sind bei diesem Ausführungsbeispiel dieselben, wie sie den Werten für die Legierung Nr. 2 beim Ausführungsbeispiel 1 entsprechen.
Die Spezifikationen dieses Ausführungsbeispiel sind die folgenden.
Generatorleistung: 1100 MVA; Statorstrom: 22 A pro 1 MVA Generatorleistung; Leistungsfaktor: 0,9; Drehzahl: 3600 u/min.; Frequenz 60 Hz, Stator: direkte Wasserkühlung; Rotor: direkte Wasserstoffkühlung (0,0047 kg/cm²·g pro 1 MVA Generatorleistung); Gehäusematerial: Stahl SM41; Eisenkernmaterial: bidirektionaler Siliziumstahl; Wicklung: Elektrolytkupfer; Isoliermaterial: Epoxidharz und Glimmer; Länge und Durchmesser des Stahls, in den eine Wicklung eingebettet ist = 5,83; Befestigungsmaterial: Stahl mit 18% Mn – 18% Cr, der 0,1% C oder weniger, mehr als 0,4% N, weniger als 1% Si enthält; Dämpfer über die Gesamtlänge; Rotorwicklung: Silber enthaltendes Kupfer; Lager: Guss-Kohlenstoffstahl; Gesamtgröße: 16 m Länge, 6 m Breite, Stellfläche: 96 m².
Der obengenannte Aufbau gewährleistet 1220 MVA Generatorleistung bei einer Turbinenausgangsleistung der Klasse 1000 MW und die Stelleinheitsfläche für diesen Generator pro 1 MVA beträgt 0,086 m², was ungefähr 13% kleiner als die Stellfläche pro 1 MVA bei einem herkömmlichen Turbinengenerator der Klasse 800 MVA, von 0,098 m², ist. Die Stellfläche kann auf 0,08 bis 0,09 m² pro 1 MVA Generatorausgangsleistung verringert werden.
Betreffend den die Erfindung verkörpernden niederlegierten Stahl muss die Ober- und Untergrenze des Körperdurchmessers ein Wert sein, der aus der bereits genannten Maschinengröße erhalten werden kann, während die Ober- und Untergrenze des Durchmessers D (mm) wünschenswert Werte sind, die aus den Ausdrücken 3 bzw. 4 erhalten werden können. Die Länge des Körpers beträgt wünschenswert das 5,5- bis 6,5-fache des Durchmessers.
Ausdruck 3 Durchmesser des Körpers D (mm) = 0,2 × Generatorleistung (MVA) + 1000 (Ausdruck 3) Ausdruck 4 Durchmesser des Körpers D (mm) = 0,2 × Generatorleistung (MVA) + 900 (Ausdruck 4)
Die beschriebene Struktur ermöglicht es, die Empfindlichkeit des Rotors gegenüber Schwingungen zu verringern, und sie führt zu einer kompakten Generatoreinheit.
Da die Zugfestigkeit mehr als 93 kg/mm² beträgt, die Übergangstemperatur bei 50%-Bruchaussehen unter 0°C liegt und die Magnetisierungskraft bei 21 kG weniger als 900 AT/cm beträgt, kann ein kompakter Generator großer Leistung mit einer Leistung von 900 MVA oder ein Synchronmotor mit einer Drehzahl von mehr als 5000 u/min. hergestellt werden. Demgemäß ist effektive Nutzung der Installationsfläche ermöglicht, so dass dies zu einer Diversifikation nutzbarer Energien führt, einschließlich Öl, Kohle und Kernkraft zur Stromerzeugung.

Claims

Rotorwelle einer elektrischer Maschine, aus Stahl folgender Gewichtszusammensetzung: C 0,15 bis 0,3% Si weniger als 0,05 Mn weniger als 0,5%, mindestens 0,1 Ni 3,5 bis 5 Cr mindestens 2,05%, weniger als 3,5% (Mo + W) 0,1 bis 1,0%, wobei gegebenenfalls W vorhanden ist V 0,03 bis 0,35% Al 0,0005% bis 0,006

gegebenenfalls von 0,001 bis 0,05% eines Elements der Gruppe IIa oder IIIa, gegebenenfalls bis zu 0,2% Ti, Zr, Hf, Nd und/oder Ta, Rest Fe, abgesehen von Verunreinigungen.
Welle nach Anspruch 1, wobei der Stahl 0,001 bis 0,05 Gew-% des Elements der Gruppe IIa oder IIIa enthält.
Welle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis Ni : Cr in dem Stahl kleiner als 2,1 ist.
Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Cr in dem Stahl im Bereich von 2,05 bis 2,6 Gew-% liegt.
Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stahl eine gleichförmige Bainitstruktur aufweist.
Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stahl eine Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 93 kg/mm², eine Übergangstemperatur bei 50% Bruchaussehen (FATT) unter 0°C, eine 0,02%-Dehngrenze von mindestens 74 kg/mm² und eine Magnetfeldstärke bei 21 kG von weniger als 990 AT/cm aufweist
Rotorwelle einer elektrische Maschinen, aus Stahl folgender Zusammensetzung C 0,15 bis 0,3%, Si weniger als 0,05% Mn weniger als 0,5%, mindestens 0,1% Ni 3,5 bis 5% Cr mindestens 2,05%, bis zu 3,5% (Mo + W) 0,1 bis 1% (wobei W wahlweise vorhanden ist) V 0,03 bis 0,35% Al weniger als 0,006% (P + S + Sn + Sb + As) weniger als 0,03% Rest Fe, abgesehen von Verunreinigungen.
Welle nach Anspruch 7, wobei der Gehalt an (P + S + Sn + Sb + As) in dem Stahl nicht mehr als 0,025 Gew-% beträgt.
Welle nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Produkt der Gewichtsprozentanteile von (a) Si und (b) (P + S + Sn + Sb + As) in dem Stahl nicht mehr als 0,003 beträgt.
Welle nach einem der Ansprüche 7 bis 9 mit einer Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 93 kg/mm², einer Übergangstemperatur bei 50% Bruchaussehen (FATT) unter 0°C, einer 0,02%-Dehngrenze von mindestens 74 kg/mm² und einer Magnetfeldstärke bei 21 kG von weniger als 990 AT/cm.
Rotorwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Durchmesser von mindestens 1 m und einer Länge, die das 5,5- bis 6,5-fache dieses Durchmessers beträgt.