DE829684C

DE829684C - Umlaufende oder feststehende Schaufel fuer Gas- und Brennkraftturbinen

Info

Publication number: DE829684C
Application number: DED1092A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Friedr Rollfinke; Dipl-Ing Gustav Zellbeck
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Priority date: 1940-12-28
Filing date: 1940-12-28
Publication date: 1952-01-28

Description

Umlaufende oder feststehende Schaufel für Gas- und Brennkraftturbinen Die Gase, die in Brennkraftturbinen oder Abgasturbinen die umlaufenden oder feststehenden Schaufeln beaufschlagen, weisen Temperaturen auf, die bis zu iooo° C und darüber betragen. Im allgemeinen liegen die Temperaturen in einem Bereich von etwa 8oo bis iooo° C. Infolge der auftretenden Temperaturen ergeben sich Schwierigkeiten bezüglich des für die Schaufeln zu verwendenden Werkstoffes, denn dieser muß nicht nur, was die Oberflächenbeständigkeit anlangt, diesen Temperaturen gewachsen sein, sondern muß auch eine hinreichende Dauerstand- oder Warmfestigkeit aufweisen, um den mechanischen Kräften gewachsen zu sein, die in den Schaufeln auftreten. Die mechanischen Beanspruchungen der Schaufeln werden hervorgerufen einerseits durch Flieh- und Biegeschwingungskräfte während des Umlaufes und Wärmespannungen andererseits.
Für Gasturbinen mit Gastemperaturen bis etwa 6oo° C erscheinen zunderbeständige Stähle als Schaufelwerkstoff im allgemeinen ausreichend, und zwar sowohl was die Zunderbeständigkeit als auch die Dauerstand- oder Warmfestigkeitswerte anlangt, zumal wenn Stähle dieser Art, wie beispielsweise die austenitischen Chrom-Nickel-Stähle, mit einem die Dauerstand- oder Warmfestigkeitswerte erhöhenden Titanzusatz versehen als Schaufelwerkstoff benutzt werden. Für die Anwendung von höheren Temperaturen ist der Weg beschritten worden, die Schaufel zu kühlen, so daß während des Betriebes an der Schaufel nur solche Temperaturen auftreten, bei denen eine wesentliche Verminderung der Dauerstandfestigkeit nicht zu befürchten ist. Als Nvesentlicher Nachteil mußte bei einer Kühlung eine Verminderung des thermischen Wirkungsgrades in Kauf genommen «erden, weil auf diese `'eise das Temperaturgefälle nicht hinreichend ausgenutzt werden konnte.
Trotz der Kühlung hat es sich als notwendig erwiesen. die Oberfläche der Schaufeln durch zunderbeständigen Werkstoff zu schützen, und es sind daher auch schon innengekühlte Schaufeln aus Stahl mit einer Hülle aus hitzebeständigem Werkstoff, beispielsweise zunderbeständigem Stahlblech, vorgeschlagen worden. Die bekannten Maßnahmen gestatteten aber an den höchstbeanspruchten Stellen der Schaufeln nur eine Betriebstemperatur von höchstens etwa 60o° C.
Zweck der Erfindung ist es, die Nachteile bisher verNvendeter umlaufender und feststehender Schaufeln für Gas- und Brennkraftturbinen zu beseitigen, so daß in den Turbinen mit Gastemperaturen bis 100o° C und mehr gearbeitet werden kann, ohne daß es erforderlich ist, einen wesentlichen Teil des Wärmeinhaltes der Gase durch Kühlung der Schaufeln zu vernichten. Gemäß der Erfindung wird zu diesem Zwecke eine Schaufel vorgeschlagen, die aus einem der hochschmelzenden Metalle Molybdän, Wolfram, Tantal oder Niob hergestellt ist. Es ist auch möglich, eine Legierung zweier oder mehr dieser Metalle miteinander zu verwenden, 'Metalle oder Legierungen dieser Art haben selbst bei hohen Temperaturen eine außerordentlich hohe Dauerstandfestigkeit, die die Dauerstandfestigkeit warmfester Stähle um ein Mehrfaches übersteigt, und zwar auch dann, wenn die Stähle mit die Dauerstandfestigkeit erhöhenden Zusätzen wie Titan versehen sind. Die genannten hochschmelzenden Metalle und auch deren Legierungen untereinander sind aber bei den in Gas- und Brennkraftturbinen auftretenden Bedingungen nicht oxydationsbeständig, weshalb auch der bekannte Vorschlag, Tantal zur Herstellung von Turbinenschaufeln zu verwenden, nur mit Rücksicht auf die Korrosionsbeständigkeit dieses Werkstoffes in feuchten ':\litteln und seiner Härte wegen gemacht und nicht auf Gasturbinen ausgedehnt wurde. Um dieser mangelnden Oxydationsbeständigkeit zu begegnen, wird gemäß der Erfindung ferner vorgeschlagen, die Schaufeln mit einer Auflage aus zunderbeständigem metallischem Werkstoff zu versehen. Diese Auflage kann vorzugsweise aus zunderbeständigem Stahl hergestellt werden. Sie wird durch Aufspritzen mit der Metallspritzpistole, durch Auftropfen mittels Schweißdrähten im elektrischen Lichtbogen oder autogen, durch Tauchen in schmelzflüssige Bäder, durch Umgießen oder auf <lein Wege d(°s .\ufl)lattierens, d. 1i. also durch Aufschweißen im Walzverfahren aufgebracht. Auch andere Verfahren des Aufbringens der Schutzschicht sind an sich denkbar.
Eine Schaufel gemäß der Erfindung kann in Gasturbinen bei Temperaturen his looow C und auch darüber hinaus ohne weiteres verwendet werden, da das zur Herstellung verwendete hochschmelzende Metall oder dieLegierung solcher hochschmelzenden Metalle miteinander selbst bei diesen hohen Temperaturen mit Sicherheit in der Lage sind, die auftretenden mechanischen l@eanspruchungen aufzunehmen, und die Auflage aus zunderbeständigem metallischem Werkstoff, insbesondere zunderbeständigem Stahl, den auftretenden chemischen Beanspruchungen standhält. 1?s ist daher auch im allgemeinen nicht erforderlich, die Schaufeln zu kühlen, so daß der Wärmeinhalt der Gase voll ausgenutzt werden kann.
Ein Stahl, der sich für die Herstellung der Auflage eignet, ist beispielsweise ein an sich bekannter Chrom-N iekel-Stalil mit 15 bis 25 % Chrom, to bis 20 % Nickel, bis zu 2,5 % Silicium und 0,o5 bis 0,2 % Kohlenstoff, der auch in praktisch siliciumfreier Form schon für die Herstellung gewöhnlicher, nicht aus mehreren verschiedenen Werkstoffen zusammengesetzter Turl>iiieiiscliaufelii vorgeschlagen worden ist. In Verbindung finit dem genannten Stahl empfiehlt sich eilt Molybdänkern.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Umlaufende oder feststehende Schaufel für Gas- und Brennkraftturbinen, die mindestens aus zwei Werkstoffen verschiedener Art zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie hergestellt ist aus einem der hochschmelzenden Metalle Molybdän, Wolfram, Tantal oder \; iob oder aus einer Legierung zweier oder mehr dieser Metalle untereinander mit einer durch Aufspritzen, Aufschweißen, Tauchen, Umgießen oderAufplattieren erzeugten Auflage aus zunderbeständigem metallischem Werkstoff, insbesondere zunderbeständigeni Stahl.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine Auflage aus Chrom-Nickel-Stahl, insbesondere mit 0,o5 bis 0,2 % Kohlenstoff, 15 bis 25 % Chrom, to bis 20 % Nickel und bis zu 2,5°/o Silicium. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift N r. Sod 126; schweizerische Patentschrift Nr. 205 301; USA.-Patentschrift Nr. 2 015 509.