EP1860279A1 - Geschweisste ND-Turbinenwelle - Google Patents

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EP1860279A1
EP1860279A1 EP06010925A EP06010925A EP1860279A1 EP 1860279 A1 EP1860279 A1 EP 1860279A1 EP 06010925 A EP06010925 A EP 06010925A EP 06010925 A EP06010925 A EP 06010925A EP 1860279 A1 EP1860279 A1 EP 1860279A1
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inflow
shaft
gew
inflow part
region
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Withdrawn
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EP06010925A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten-Ulf Dr. Kern
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F01D5/063—Welded rotors
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
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    • Y10S464/902—Particular material

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine which has a low-pressure region, with at least one shaft, wherein the low-pressure region has an inflow region.
  • Such a turbomachine is designed for example as a steam turbine.
  • Such turbomachines have an inflow region and adjoining flow regions or outflow regions, the flow regions having a blade lattice formed from rotor blades and guide vanes.
  • double-flow turbomachines are formed, wherein a flow medium, for example steam, flows over the inflow area into the flow areas arranged to the left and right in the axial direction or in the longitudinal direction flows.
  • a flow medium for example steam
  • the flow medium flows in the opposite direction with respect to the respective other flow region.
  • the invention is therefore based on the object to improve a turbomachine of the type mentioned, in particular the at least one shaft in the low pressure region of the turbomachine with simple means to the effect that these higher temperatures or operating temperatures can be suspended.
  • the shaft has a heat-resistant material at least at its inlet part arranged in the inflow region.
  • the inflow part preferably comprises a material of the 1-2.5% Cr steels, in particular a material with the designation 22CrNiMoWV8-8 (material number 1.6945).
  • the shaft at opposite to the inflow arranged Abström a cold-tough material, preferably a material of 2-4% Ni steels, in particular a material 26NiCrMoV14-5 (material number 1.6957).
  • a cold-tough material preferably a material of 2-4% Ni steels, in particular a material 26NiCrMoV14-5 (material number 1.6957).
  • 26NiCrMoV11-5 material number 1.6948) and / or 22NiCrMo9-9 have.
  • the shaft is formed in several parts from an inflow part and an outflow part assigned to it on both sides.
  • the inflow part is connected with its oppositely arranged ends cohesively with the respective further outflow parts.
  • a welded connection can preferably be used.
  • a gas-shielded welding process in particular a TIG welding
  • TIG narrow gap welding it is also possible to carry out a TIG narrow gap welding.
  • UP Unterpulverversch spaung
  • combined welding processes can also be carried out, the "root position" being carried out, for example, in the TIG process and the "filling or covering layers" in the UP process.
  • the inflow part is arranged in the region of the steam inflow of the turbomachine, the outflow parts being arranged laterally in the longitudinal direction of the turbomachine, ie in the outflow region.
  • the inflow part consists of the material 22CrMoNiWV8-8, wherein the outflow parts can each consist of one of the following exemplary materials 26NiCrMoV14-5, 26NiCrMoV11-5 and / or 22CrNiM09-9.
  • the inflow part of the material 22CrMoNiWV8-8 can be conveniently produced as a disk body with a diameter of up to 3000mm, wherein for the disk body no ESU melting ( E lektro- S chlacke- U mschmelzung) is necessary even with the largest shaft diameters, as well Conventional melting process sufficiently homogeneous properties can be achieved.
  • the disk body becomes corresponding machined to fulfill its function in the flow cross-section.
  • the inflow can be easily produced as a disc body and the special ESU-melting (which is necessary for monobloc waves of the same diameter) can be omitted, also advantageously increases the number of suppliers for the procurement of the inflow due to the elimination of required manufacturing standards and tolerances or special requirements for suppliers.
  • the inflow part advantageously fulfills the necessary high long-term strength and toughness requirement in turbomachines, in particular in the inflow region.
  • Figure 1 shows a shaft 1 of a turbomachine in a half-section up to a central axis X.
  • the shaft 1 is mirror-inverted to the central axis X executed.
  • the shaft 1 is part of a double-flow low pressure area.
  • the turbomachine may be, for example, a steam turbine. The possibly upstream medium-pressure areas or high-pressure areas of the turbomachine are not shown.
  • the turbomachine has an inflow region, which is represented by the arrow 2.
  • a medium for example, steam flows into the low-pressure region of the turbomachine, wherein the medium flow, with respect to the approximately centrally arranged inflow region 2, is divided into two flow directions 3.
  • Each partial flow 3 flows through a blade grid, not shown.
  • the low-pressure region of the fluid-flow machine thus has an inflow region 2 and two flow regions or outflow regions 4 arranged laterally to the latter, seen in the longitudinal direction or axial direction.
  • the shaft 1 is formed in several parts from an inflow part 6 and two outflow parts 7, which are seen laterally in the longitudinal direction.
  • the inflow part 6 is materially connected to the respectively laterally arranged outflow parts 7.
  • the cohesive connection can be designed as a welded connection.
  • the TIG process may be provided, preferably as TIG narrow gap welding.
  • a submerged arc welding (UP) can be provided.
  • the respective weld bears the reference numeral 8.
  • the inflow part 6 is made as a disk body, which consists of the material 22CrNiMoWV8-8.
  • FIG. 2 shows a temperature diagram in the longitudinal direction of the shaft 1.
  • the shaft 1 in the inflow region 2 of the turbomachine can be operated over a temperature> 350 ° C.
  • the temperature decreases seen in the longitudinal direction in both outflow areas 4.
  • the temperature curve 9 achievable by means of the material 22CrNiMoWV8-8 used in accordance with the invention is shown in dashed lines, wherein below a conventional temperature curve 10 is shown, which does not exceed the amount of 350 ° C.
  • an improved shaft 1 which can be exposed to higher temperature loads (> 350 ° C.) in the inflow region on account of the material 22CrNiMoWV8-8 of the inflow part 6 used according to the invention.
  • the welds 8 are conveniently arranged in a temperature range ⁇ 350 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, die einen Niederdruckbereich aufweist, mit zumindest einer Welle (1), wobei der Niederdruckbereich einen Einströmbereich (2) aufweist. Die Welle (1) weist zumindest an ihrem, im Einströmbereich (2) angeordneten Einströmteil (6) einen warmfesten Werkstoff, vorzugsweise den Werkstoff 22CrMoNiWV8-8 auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, die einen Niederdruckbereich aufweist, mit zumindest einer Welle, wobei der Niederdruckbereich einen Einströmbereich aufweist.
  • Eine derartige Strömungsmaschine ist beispielsweise als Dampfturbine ausgeführt. Derartige Strömungsmaschinen weisen einen Einströmbereich und sich daran anschließende Strömungsbereiche bzw. Abströmbereiche auf, wobei die Strömungsbereiche ein aus Lauf- und Leitschaufeln gebildetes Schaufelgitter aufweisen.
  • Ist ein solches Schaufelgitter in axialer Richtung gesehen jeweils links und rechts des Einströmbereiches angeordnet, sind so genannte doppelflutige Strömungsmaschinen gebildet, wobei ein Strömungsmedium, beispielsweise Dampf, über den Einströmbereich in die in axialer Richtung bzw. in Längsrichtung gesehen jeweils links und rechts davon angeordneten Strömungsbereiche strömt.
  • In dem in axialer Richtung gesehen jeweils links und rechts des Einströmbereiches angeordneten Strömungsbereichen strömt das Strömungsmedium bezogen auf den jeweils anderen Strömungsbereich in entgegengesetzter Richtung.
  • Bekannt ist beispielsweise für doppelflutige Strömungsmaschinen die Welle aus dem Werkstoff 26NiCrMoV14-5 zu bilden. Als ein Hauptnachteil dieses bekannten Werkstoffs ist anzusehen, dass die Einsatztemperatur aus Gründen der Versprödung und des Zeitstandverhaltens auf T < 350°C zu beschränken ist.
  • Um den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessern zu können, wurde insbesondere der Niederdruckteil, bzw. die Welle im Niederdruckbereich theoretisch dahingehend diskutiert, dass ein diesbezüglich verbesserter Werkstoff eingesetzt werden könnte. Dieser theoretisch andiskutierte Werkstoff ist der Werkstoff 26NiCrMoV14-5mod (Superclean). Bei diesem Werkstoff ist die Versprödungsneigung zwar reduziert, wohingegen das Problem des gefügeabhängigen Zeitstandverhaltens aber nicht verbessert wird. Der Einsatz des andiskutierten modifizierten Werkstoffs ist theoretisch möglich, wobei die Werkstoffkosten allerdings um mehr als ca. 25 Prozent steigen, und Daten zum Zeitstandverhalten Rp0,2 > 600 MPa nicht ausgewertet vorliegen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art, insbesondere die zumindest eine Welle im Niederdruckbereich der Strömungsmaschine mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, dass diese höheren Temperaturen bzw. Einsatztemperaturen ausgesetzt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Welle zumindest an ihrem, im Einströmbereich angeordneten Einströmteil einen warmfesten Werkstoff aufweist. Bevorzugt weist der Einströmteil dabei einen Werkstoff der 1-2,5% Cr-Stähle, insbesondere einen Werkstoff mit der Bezeichnung 22CrNiMoWV8-8 (Werkstoffnummer 1.6945) auf.
  • Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn die Welle an gegenüberliegend zum Einströmteil angeordneten Abströmteilen einen kaltzähen Werkstoff, bevorzugt einen Werkstoff der 2-4% Ni-Stähle, insbesondere einen Werkstoff 26NiCrMoV14-5 (Werkstoffnummer 1.6957)aufweist. Natürlich kann der jeweilige Abströmteil aber auch beispielsweise einen Werkstoff 26NiCrMoV11-5 (Werkstoffnummer 1.6948) und/oder 22NiCrMo9-9 aufweisen.
  • Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn die Welle mehrteilig aus einem Einströmteil und einem diesem jeweils beidseitig zugeordneten Abströmteil gebildet ist. Das Einströmteil ist dabei mit seinen gegenüberliegend angeordneten Enden stoffschlüssig mit den jeweils weiteren Abströmteilen verbunden. Als stoffschlüssige Verbindung kann bevorzugt eine Schweißverbindung eingesetzt werden. Denkbar ist hierbei, wenn als Schweißverfahren ein Schutzgasschweißverfahren, insbesondere eine WIG-Schweißung durchgeführt wird. Möglich ist auch, eine WIG-Engspaltschweißung durchzuführen. Möglich ist aber auch eine Unterpulverschweißung (UP) durchzuführen. Natürlich können aber auch kombinierte Schweißverfahren durchgeführt werden, wobei die "Wurzellage" beispielsweise im WIG-Verfahren und die "Füll- bzw. Decklagen" im UP-Verfahren ausgeführt sind.
  • Der Einströmteil ist im Bereich der Dampfeinströmung der Strömungsmaschine angeordnet, wobei die Abströmteile in Längsrichtung der Strömungsmaschine jeweils seitlich dazu, also im Abströmbereich angeordnet sind. Im Bereich der Dampfeinströmung, also am Einströmteil herrschen die höchsten Temperaturen an der Welle, bzw. an deren Einströmteil. Günstiger Weise ist daher vorgesehen, dass der Einströmteil aus dem Werkstoff 22CrMoNiWV8-8 besteht, wobei die Abströmteile jeweils aus einem der folgenden beispielhaften Werkstoffen 26NiCrMoV14-5, 26NiCrMoV11-5 und/oder 22CrNiM09-9 bestehen können.
  • Insgesamt sind mit dem verwendeten Werkstoff 22CrMoNiWV8-8 für den Einströmbereich des Niederdruckteils der Welle, also des Einströmteils höhere Einströmtemperaturen (T > 350°C) realisierbar.
  • Der Einströmteil aus dem Werkstoff 22CrMoNiWV8-8 kann dabei günstigerweise als Scheibenkörper mit einem Durchmesser bis zu 3000mm hergestellt werden, wobei für den Scheibenkörper keine ESU-Erschmelzung (Elektro-Schlacke-Umschmelzung) auch bei größten Wellendurchmessern notwendig ist, da auch über konventionelle Erschmelzungsverfahren ausreichend homogene Eigenschaften erreichbar sind. Der Scheibenkörper wird entsprechend bearbeitet, um seine Funktion im Strömungsquerschnitt zu erfüllen.
  • Dadurch, dass der Einströmteil einfach als Scheibenkörper hergestellt werden kann und die spezielle ESU-Erschmelzung (die für Monoblockwellen gleichen Durchmessers notwendig ist) entfallen kann, erhöht sich auch vorteilhaft die Lieferantenanzahl für die Beschaffung des Einströmteils aufgrund des Wegfalls von erforderlichen Herstellungsstandards und Toleranzen bzw. spezieller Anforderungen an die Lieferanten.
  • Der Einströmteil erfüllt vorteilhaft aufgrund des neuen Werkstoffs bzw. der erfindungsgemäßen Verwendung des Werkstoffs 22CrMoNiWV8-8 die notwendig hohe Langzeitfestigkeit und Zähigkeitsanforderung in Strömungsmaschinen insbesondere im Einströmbereich.
  • Eine Verschweißung der beiden unterschiedlichen Werkstoffe, also des Werkstoffs des Einströmteils mit dem Werkstoff der beiden gegenüberliegenden Abströmteile ist bereits bekannt, wobei die entstehenden Schweißnähte selbstverständlich vorzugsweise in den Bereich mit einer Temperatur T < 350°C angeordnet werden können.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, sowie der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Welle eines Niederdruckbereiches einer Strömungsmaschine im Halbquerschnitt, und
    Fig. 2
    ein Temperaturdiagramm.
  • Figur 1 zeigt eine Welle 1 einer Strömungsmaschine in einem Halbquerschnitt bis zu einer Mittelachse X. Selbstverständlich ist die Welle 1 spiegelbildlich zur Mittelachse X ausgeführt. Die Welle 1 ist Bestandteil eines doppelflutigen Niederdruckbereichs. Die Strömungsmaschine kann z.B. eine Dampfturbine sein. Die möglicherweise vorgeschalteten Mitteldruckbereiche bzw. Hochdruckbereiche der Strömungsmaschine sind nicht dargestellt.
  • Die Strömungsmaschine weist einen Einströmbereich auf, der Mittels des Pfeils 2 dargestellt ist. Als Medium strömt beispielsweise Dampf in den Niederdruckbereich der Strömungsmaschine, wobei sich der Mediumstrom, bezogen auf den etwa mittig angeordneten Einströmbereich 2 in zwei Strömungsrichtungen 3 aufteilt. Jeder Teilstrom 3 durchströmt ein nicht dargestelltes Schaufelgitter. Der Niederdruckbereich der Strömungsmaschine weist somit einen Einströmbereich 2 und zwei, in Längsrichtung bzw. axialer Richtung gesehen, seitlich zu diesem angeordnete Strömungsbereiche bzw. Abströmbereiche 4 auf.
  • Die Welle 1 ist mehrteilig aus einem Einströmteil 6 und zwei in Längsrichtung gesehen jeweils seitlich dazu angeordneten Abströmteilen 7 gebildet. Das Einströmteil 6 ist mit den jeweils seitlich angeordneten Abströmteilen 7 stoffschlüssig verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung kann als Schweißverbindung ausgeführt sein. Als Schweißverfahren kann das WIG-Verfahren, vorzugsweise als WIG-Engspaltschweißung vorgesehen sein. Natürlich kann auch eine Unterpulver-Schweißung (UP) vorgesehen sein. Die jeweilige Schweißnaht trägt das Bezugszeichen 8.
  • Der Einströmteil 6 ist als Scheibenkörper hergestellt, der aus dem Werkstoff 22CrNiMoWV8-8 besteht. Der Werkstoff 22CrNiMoWV8-8 umfasst 0,20-0,24 Gew.-% C; <=0,10 Gew.-% Si; 0,60-0,80 Gew.-% Mn; <=0,01 Gew.-% P; <=0,007 Gew.-% S; 2,00-2,20 Gew.-% Cr; 0,80-0,90 Gew.-% Mo; 0,70-0,80 Gew.-% Ni; 0,25-0,35 Gew.-% V und 0,60-0,70 Gew.-% W.
  • Die Abströmteile 7 sind jeweils aus einem der folgenden Werkstoffe herstellbar:
    • 26NiCrMoV14-5: Dieser Werkstoff umfasst 0,22-0,32 Gew.-% C; 0<=0,15 Gew.-% Si; 0,15-0,40 Gew.-% Mn; <=0,010 Gew.-% P; <=0,007 Gew.-% S; 1,20-1,80 Gew.-% Cr; 0,25-0,45 Gew.-% Mo; 3,40-4,00 Gew.-% Ni und 0,05-0,15 Gew.-% V.
    • 26NiCrMoV11-5: Dieser Werkstoff umfasst 0,22-0,32 Gew.-% C; <=0,15 Gew.-% Si; 0,15-0,40 Gew.-% Mn; <=0,010 Gew.-% P; <=0,007 Gew.-% S; 1,20-1,80 Gew.-% Cr; 0,25-0,45 Gew.-% Mo; 2,40-3,10 Gew.-% Ni und 0,05-0,15 Gew.-% V.
    • 22CrNiMo9-9: Dieser Werkstoff umfasst 0,22-0,25 Gew.-% C; <=0,15 Gew.-% Si; 0,15-0,40 Gew.-% Mn; <=0,010 Gew.-% P; <=0,007 Gew.-% S; 2,00-2,60 Gew.-% Cr; 0,50-0,90 Gew.-% Mo; 2,00-2,50 Gew.-% Ni und 0,05-0,15 Gew.-% V.
  • In Figur 2 ist ein Temperaturdiagramm in Längsrichtung der Welle 1 dargestellt. Mittels des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffs 22CrNiMoWV8-8 des Einströmteils 6 kann die Welle 1 im Einströmbereich 2 der Strömungsmaschine über eine Temperatur >350°C betrieben werden. Die Temperatur nimmt in Längsrichtung gesehen in beiden Abströmbereichen 4 ab. In Figur 2 ist die mittels des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffs 22CrNiMoWV8-8 erreichbare Temperaturkurve 9 gestrichelt dargestellt, wobei unterhalb eine herkömmliche Temperaturkurve 10 dargestellt ist, welche den Betrag von 350°C nicht übersteigt.
  • Somit ist eine verbesserte Welle 1 zur Verfügung gestellt, welche im Einströmbereich aufgrund des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffs 22CrNiMoWV8-8 des Einströmteils 6 höheren Temperaturbelastungen (>350°C) ausgesetzt werden kann. Die Schweißnähte 8 sind dabei günstiger Weise in einem Temperaturbereich <350°C angeordnet.

Claims (7)

  1. Strömungsmaschine,
    die einen Niederdruckbereich aufweist,
    mit zumindest einer Welle (1),
    wobei der Niederdruckbereich einen Einströmbereich (2) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Welle (1) zumindest an ihrem im Einströmbereich (2) angeordneten Einströmteil (6) einen warmfesten Werkstoff aufweist.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Welle (1) an ihrem Einströmteil einen Werkstoff 22CrMoNiWV8-8 aufweist
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Welle (1) an gegenüberliegend zum Einströmteil (6) angeordneten Abströmteilen (7) einen kaltzähen Werkstoff aufweist.
  4. Strömungsmaschine einem der vorhergehenden Ansprüchen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Welle (1) an gegenüberliegend zum Einströmteil (6) angeordneten Abströmteilen (7) einen Werkstoff 26NiCrMoV14-5 und/oder 26NiCrMoV11-9 und/oder 22CrNiMo9-9 aufweist.
  5. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Welle (1) mehrteilig aus dem Einströmteil (6) und einem diesem jeweils beidseitig zugeordneten Abströmteil (7) gebildet ist.
  6. Strömungsmaschine nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Einströmteil (6) mit seinen gegenüberliegenden Abströmteilen (7) stoffschlüssig verbunden ist.
  7. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Einströmteil (6) als Scheibenkörper hergestellt ist.
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