EP1801254A1 - Verdichtergehäuse aus Gussstahl für Tieftemperaturanwendungen - Google Patents

Verdichtergehäuse aus Gussstahl für Tieftemperaturanwendungen Download PDF

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EP1801254A1
EP1801254A1 EP05027971A EP05027971A EP1801254A1 EP 1801254 A1 EP1801254 A1 EP 1801254A1 EP 05027971 A EP05027971 A EP 05027971A EP 05027971 A EP05027971 A EP 05027971A EP 1801254 A1 EP1801254 A1 EP 1801254A1
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EP
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housing
cold
cast steel
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low temperature
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EP05027971A
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Ralf Bode
Beate Dr. Langenhan
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/02—Selection of particular materials
    • F04D29/023—Selection of particular materials especially adapted for elastic fluid pumps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/08—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing nickel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
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    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008—Martensite
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
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    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/608—Microstructure

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular compressors or turbocompressors for low-temperature applications, wherein the turbomachine has a housing.
  • Such turbomachines with housing are known.
  • housings of compressors or turbocompressors must be designed so that they can withstand a high internal pressure. It is known at very low operating temperatures ( ⁇ -120 ° C) to use materials, in particular cold-tough steels with austenitic crystal structure for the production of the housing, the cold-tough steels with austenitic crystal structure disadvantageously have a very low strength. Therefore, current housing of compressors or turbo compressors are designed for low temperature applications with relatively large wall thicknesses in order to withstand the relatively high internal pressure at the very low strength of the material.
  • the austenitic steels disadvantageously have a low thermal conductivity and a high coefficient of thermal expansion, there continues to be a risk of large temperature gradients within the housing and the risk of thermal stress to permanent plastic deformation.
  • the invention has for its object to improve a housing, in particular a housing for compressors, preferably for turbocompressors for low temperature applications to go there by simple means that the housing can be produced even at very low operating temperatures with lower wall thicknesses.
  • the object is achieved in that the housing consists of a cold-tough material with a martensitic structure.
  • the housing consists of a cold-tough cast steel
  • the housing consists of a cold-tough cast steel with a nickel content of 8.5 to 10%.
  • the object is also achieved by using a cold-tough material with a martensitic structure to produce a turbocompressor housing for low-temperature use, the material ASTM A 352 LC 9 preferably being suitable here.
  • Cold-tough cast steels with a high nickel content are particularly suitable for cryogenic temperatures down to -196 ° C. Due to the advantageous alloy composition, the microstructure of nickel-alloyed steels is martensitic, having higher 0.2% proof strengths, lower thermal expansions, and higher thermal conductivity compared to steels of austenitic crystal structure.
  • the higher yield strength advantageously allows for smaller wall thicknesses of the housing, thereby requiring less housing material, thereby significantly reducing the cost of making the housing.
  • the combination of properties of the cold-strength cast steels with a high nickel content, in particular of the material ASTM A 352 LC 9, achieves better temperature gradients and reduces thermal stresses, thus excluding the risk of plastic deformation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Gehäuse. Die Strömungsmaschine ist insbesondere als Turbokompressor für Tieftemperatureinsätze ausgelegt, wobei das Gehäuse bevorzugt aus einem kaltzähen Werkstoff mit martensitischem Gefüge besteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere Verdichter bzw. Turbokompressoren für Tieftemperatureinsätze, wobei die Strömungsmaschine ein Gehäuse aufweist.
  • Derartige Strömungsmaschinen mit Gehäuse sind bekannt. Insbesondere Gehäuse von Verdichtern bzw. Turbokompressoren müssen so ausgelegt werden, dass sie einem hohen Innendruck standhalten. Hierbei ist es bekannt, bei sehr tiefen Betriebstemperaturen (< -120 °C) Werkstoffe, insbesondere kaltzähe Stähle mit austenitischer Kristallstruktur zur Herstellung des Gehäuses zu verwenden, wobei die kaltzähen Stähle mit austenitischer Kristallstruktur nachteiligerweise eine sehr geringe Festigkeit aufweisen. Von daher werden derzeitige Gehäuse von Verdichtern bzw. Turbokompressoren für Tieftemperaturanwendungen mit relativ großen Wandstärken ausgeführt, um bei der sehr niedrigen Festigkeit des Werkstoffs dem relativ hohen Innendruck standhalten zu können.
  • Da die austenitischen Stähle außerdem nachteiligerweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit und einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, besteht weiter die Gefahr von großen Temperaturgradienten innerhalb des Gehäuses und die Gefahr thermischer Spannungen bis hin zu bleibenden plastischen Verformungen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse, insbesondere ein Gehäuse für Verdichter, bevorzugt für Turbokompressoren für Tieftemperatureinsätze, mit einfachen Mitteln dahin gehend zu verbessern, dass das Gehäuse auch bei sehr tiefen Betriebstemperaturen mit geringeren Wandstärken herstellbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Gehäuse aus einem kaltzähen Werkstoff mit martensitischem Gefüge besteht.
  • Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn das Gehäuse aus einem kaltzähen Gussstahl besteht, wobei zweckmäßigerweise vorgesehen ist, dass das Gehäuse aus einem kaltzähen Gussstahl mit einem Nickelgehalt von 8,5 bis 10 % besteht.
  • Als besonders geeignet hat sich hierbei der Werkstoff mit der Bezeichnung ASTM A 352 LC 9 bewiesen. Natürlich sind auch andere kaltzähe Gussstähle mit hohem Nickelgehalt geeignet.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe aber auch dadurch gelöst, dass zur Herstellung eines Turbokompressorgehäuses für Tieftemperatureinsatz ein kaltzäher Werkstoff mit martensitischem Gefüge verwendet wird, wobei hier bevorzugt der Werkstoff ASTM A 352 LC 9 geeignet ist.
  • Kaltzähe Gussstähle mit hohem Nickelgehalt eignen sich insbesondere für Tieftemperaturen bis -196 °C. Aufgrund der vorteilhaften Legierungszusammensetzung ist das Gefüge nickellegierter Stähle martensitisch, wobei sie im Vergleich zu Stählen mit austenitischer Kristallstruktur höhere 0,2 %-Dehngrenzen, geringere Wärmedehnungen und eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
  • Die höhere Dehngrenze ermöglicht vorteilhaft geringere Wandstärken des Gehäuses, wodurch weniger Gehäusematerial erforderlich wird, so dass die Kosten zur Herstellung des Gehäuses erheblich gesenkt werden. Insgesamt werden durch die Eigenschaftskombination der kaltzähen Gussstähle mit hohem Nickelgehalt, insbesondere des Werkstoffs ASTM A 352 LC 9 bessere Temperaturgradienten erreicht und Thermospannungen verringert, womit die Gefahr plastischer Verformungen ausgeschlossen ist.

Claims (6)

  1. Strömungsmaschine mit einem Gehäuse,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gehäuse aus einem kaltzähen Werkstoff mit martensitischem Gefüge besteht.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gehäuse aus einem kaltzähen Gussstahl besteht.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gehäuse aus einem kaltzähen Gussstahl mit einem Nickelgehalt von 8, 5 bis 10 % besteht.
  4. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gehäuse aus dem Werkstoff ASTM A 352 LC 9 besteht.
  5. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gehäuse als Verdichtergehäuse,
    insbesondere als Gehäuse eines Turbokompressors für Tieftemperatureinsatz,
    ausgeführt ist.
  6. Verwendung eines kaltzähen Gussstahls mit martensitischem Gefüge,
    insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Herstellung eines Turbokompressorgehäuses für Tieftemperatureinsätze.
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