EP0119186B1

EP0119186B1 - Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln

Info

Publication number: EP0119186B1
Application number: EP19840890041
Authority: EP
Inventors: Alfons Dipl.-Ing. Loidl; Johann Dipl.-Ing. Fladischer; Herbert Schieber
Original assignee: Vereinigte Edelstahlwerke AG
Current assignee: Vereinigte Edelstahlwerke AG
Priority date: 1983-03-10
Filing date: 1984-03-08
Publication date: 1988-06-01
Also published as: ATA83783A; EP0119186A2; EP0119186A3; AT376914B; DE3471690D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln aus Rohlingen aus 7-14%igen Chromstählen, die auf Schmiedetemperatur erhitzt und anschliessend, insbesondere in einer Spindelpresse, präzisionsgeschmiedet werden, worauf die Schaufeln aus der Schmiedehitze mit einem aus einer oder mehreren Düsen austretenden Kühlmittel abgekühlt und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur angelassen werden.
Zur Herstellung von Turbinenschaufeln, für deren Formgebung ein gedrunger, um nicht zu sagen klobig gestalteter Fuss und ein sich daran anschliessendes, schlankes und meist mehr oder minder verwunden ausgebildetes Schaufelblatt charakteristisch sind, und die für den Dampfturbinenbau überwiegend aus 7-14%igen Chromstählen gefertigt werden, die auch Legierungszusätze aus der Gruppe Mo, Ni, V, Nb, B, W. Cu, N enthalten können, ist es üblich, das Präzisionsschmieden anzuwenden. Dabei handelt es sich um einen Schmiedevorgang, bei dem aus einem entsprechend vorgeformten Rohling im Schmiedegesenk bzw. neuerdings auch schlagartig in einer mit einem solchen ausgestatteten massiven Spindelpresse bei Schmiedetemperatur die vielfach unter Berücksichtigung einer Bearbeitungszugabe auf die Endform abgestellte präzise Formgebung erfolgt, an die sich eine Wärmebehandlung zum Härten und Anlassen sowie die mechanische Fertigbearbeitung anschliessen (siehe auch Werkstattstechnik, Zeitschrift für industr. Fertigung, Vol. 71 (1981) Sept. No. 9, Würzburg, BRD).
Im Bestreben, einen Kostenvorteil zu erreichen, wenn unter Verzicht auf eine langsame Abkühlung der geschmiedeten Schaufeln auf Raumtemperatur und einen weiteren Erwärmungsschritt auf Austenitisierungstemperatur die Härtung gleich aus der Schmiedehitze vorgenommen wird, ist schon versucht worden, die dafür erforderliche schroffe Abkühlung durch Ölhärtung auszuführen. Dabei hat sich jedoch ein derart starker Verzug ergeben, dass der erhoffte und energetisch auch erreichte Kostenvorteil wegen der schwierig vorzunehmenden und sehr aufwendigen Egalisierung des eingetretenen Verzuges praktisch verlorengeht.
Zielsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es daher, einen Ausweg aus dem genannten Dilemma aufzuzeigen und dies gelingt in überraschender Weise derart, dass die von der bzw. den Düsen je Zeiteinheit abgegebene Kühlmittelmenge und/oder die Richtung des Kühlmittelstrahles auf die verschiedenen Oberflächenbereiche der Turbinenschaufel in Abhängigkeit von der vom jeweiligen Bereich abzugebenden Wärmemenge, die vom Schaufelteilvolumen und der entsprechenden Temperatur bestimmt ist, verschieden bemessen wird, so dass die Abkühlung mit der Massgabe gelenkt wird, dass die Unterschiede der Oberflächentemperaturen des Schaufelblattes das Ausmass von 100°C nicht übersteigen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die gelenkte Abkühlung der Schaufeln durch ein getrennt der Menge und/oder der Richtung nach regelbares System von Luft- und Wasserstrahldüsen vorgenommen, wobei am besten die Kühlmitteldüsen beidseitig eines Transportweges für die, vorzugsweise hängend, durch eine Kühlungszone geförderten Schaufeln angeordnet werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. Beschrieben wird dabei die Herstellung von Dampfturbinenschaufeln mit einer Blattlänge von 1500 mm einer maximalen Blattbreite von 300 mm und einer Blattverwindung von 70° aus dem Chromstahl der Werkstoffnummer 1.4021 (X 20 Cr 13 entsprechend AISI 420). Bei der Schmiedung solcher Schaufeln mittels einer Spindelpresse ergibt sich gegenüber der üblichen Fertigung auf dem Gegenschlaghammer der besondere Vorteil, dass unter Einhaltung gleicher Bedingungen, insbesondere bezüglich der Schmiedetemperatur, der Schlaganzahl, der Gesenkkühlung u.s.f., das die Presse verlassende Produkt beim Vergleich in praktisch einheitlicher Art und Weise vorliegt. Auf die Temperatur bezogen bedeutet dies, dass zwar, durch die Verformung im Gesenk bedingt, nicht mehr ein einheitliches Temperaturniveau vorliegt, wie dies bei der Entnahme der Rohlinge (der sogenannten Keulen) aus dem Ofen als Schmiede-Anfangstemperatur der Fall war, weil das schlanke Schaufelblatt bei der Schmiedung stärker abkühlt als der Fuss, dass aber beim Vergleich einer Schaufel mit praktisch jeder anderen einer Fertigungsreihe die Oberflächentemperaturen bezogen auf die jeweiligen Messstellen übereinstimmen.
Zur Vermeidung von Karbidausscheidungen und der Perlit-Umwandlung besteht beim Härten des genannten Stahltyps das Erfordernis, die geschmiedeten Schaufeln rasch von der Schmiede-Endtemperatur auf ein Temperaturniveau von etwa 300°C abzukühlen, während die weitere Abkühlung auf Raumtemperatur an ruhender Luft erfolgen kann.
Wegen der zwangsläufig eintretenden Abkühlung beim Manipulieren der Schaufeln von der Entnahme aus dem Gesenk bis zur Einbringung in die Kühlzone, haben sich folgende Temperaturverhältnisse ergeben:
Die gelenkte Abkühlung im Sinne des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgte in einer Kühleinrichtung, die mit einer Transportkette zur Aufhängung der Schaufeln und einem längs des Transportweges etwa spiegelbildlich, nach Höhe und Breite gestaffelt angeordneten und der Menge und teilweise auch der Richtung nach regelbaren Düsensystem von Sprühdüsen für Luft und Wasser als Kühlmittel ausgestattet ist. Während in Höhe des Schaufelfusses eine speziell auf diesen Bereich abgestellte intensive Kühlung durch eine eng-kegelig aufeinanderfolgende Reihe von Wassersprühstrahlen vorgenommen wurde, war die Kühlwirkung nach oben, also zum Schaufelkopf hin, zunehmend schwächer dosiert. Das Schaufelblatt wurde hier nur mittels Luftstrahlen gekühlt, wobei die Kühlmittelmenge etwa proportional zum abnehmenden Schaufelteilvolumen und der Temperatur eingestellt war, wodurch die unterschiedlichen Oberflächentemperaturen des Schaufelblattes nie mehr als um 100°C differierten. Die Länge der Kühlungszone bzw. die Zeitdauer der Kühlung war derart bemessen, dass die Turbinenschaufeln beim Verlassen der Kühleinrichtung auf max. 300°C auch im Schaufelfuss abgekühlt waren, so dass sie durch Lagerung an ruhender Luft auf Raumtemperatur abgekühlt werden konnten.
Zur Vergütung wurde dann eine Erhitzung auf 740°C vorgenommen, und nach 3stündiger Haltezeit an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Schaufeln zeigten danach bloss einen minimalen Verzug, der sich auf konventionelle Art und Weise mit vergleichsweise geringem Kostenaufwand beheben liess.
Um den gravierenden Unterschied aufzuzeigen, der sich vergleichsweise ergeben hat, wenn anstatt der beschriebenen erfindungsgemässen Härtung der Turbinenschaufeln durch eine gelenkte Steuerung ihrer Abkühlung auf etwa 300°C die Härtung in einem auf 300°C erwärmten Ölbad oder - was auch noch versucht wurde - in einem aus etwa 300°C heissem Quarzsand durch einen Luftstrom gebildeten Wirbelbett vorgenommen wurde, werden die ausgewerteten Ergebnisse einer Serie von je 200 Schaufeln des beschriebenen Schaufeltyps entsprechend den mittleren Maximalwerten für den sich aus Durchbiegung und Verdrallung gegenüber dem Sollprofil in verschiedenen Messebenen ermittelten Verzug bezogen auf das prozentuelle Ausmass in einer grafischen Gegenüberstellung wie folgt ausgewiesen, wobei als Vergleichsbasis für den Prozentsatz von 100% die gemittelten Maximalwerte für diesen Schaufeltyp herangezogen sind, die sich bei der bislang üblichen Technologie (Fertigung mit dem Gegenschlaghammer und Härtung nach einem gesonderten Wärmebehandlungsschritt durch Aufheizen auf die Härtetemperatur und Abschrecken im heissen Ölbad) ergeben haben.
Die Ziffern auf der Abszisse bedeuten:

1: Vergleichsbasis
2: Ölhärtung aus der Schmiedehitze
3: erfindungsgemässe Härtung aus der Schmiedehitze
4: Härtung im heissen Sand-Wirbelbett aus der Schmiedehitze

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln aus Rohlingen aus 7-14%igen Chromstählen, die auf Schmiedetemperatur erhitzt und anschliessend, insbesondere in einer Spindelpresse, präzisionsgeschmiedet werden, worauf die Schaufeln aus der Schmiedehitze mit einem aus einer oder mehreren Düsen austretenden Kühlmittel abgekühlt und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur angelassen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die von der bzw. den Düsen je Zeiteinheit abgegebene Kühlmittelmenge und/ oder die Richtung des Kühlmittelstrahles auf die verschiedenen Oberflächenbereiche der Turbinenschaufel in Abhängigkeit von der vom jeweiligen Bereich abzugebenden Wärmemenge, die vom Schaufelteilvolumen und der entsprechenden Temperatur bestimmt ist, verschieden bemessen wird, so dass die Abkühlung mit der Massgabe gelenkt wird, dass die Unterschiede der Oberflächentemperaturen des Schaufelblattes das Ausmass von 100°C nicht übersteigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gelenkte Abkühlung der Schaufeln durch ein getrennt regelbares System von Menge und/oder der Richtung von Luft- und Wasserstrahldüsen vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmitteldüsen beidseitig eines Transportweges für die, vorzugsweise hängend, durch eine Kühlungszone geförderten Schaufeln angeordnet werden.