EP2024605A1 - Geschweisste nd-turbinenwelle - Google Patents

Geschweisste nd-turbinenwelle

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EP2024605A1
EP2024605A1 EP07712292A EP07712292A EP2024605A1 EP 2024605 A1 EP2024605 A1 EP 2024605A1 EP 07712292 A EP07712292 A EP 07712292A EP 07712292 A EP07712292 A EP 07712292A EP 2024605 A1 EP2024605 A1 EP 2024605A1
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EP
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inflow
shaft
turbomachine
outflow
low
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EP07712292A
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English (en)
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Inventor
Torsten-Ulf 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
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • 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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    • 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
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • 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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    • C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y10S464/00—Rotary shafts, gudgeons, housings, and flexible couplings for rotary shafts
    • Y10S464/902—Particular material

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine having a Nie ⁇ derdruck Kunststoff, with at least one shaft, wherein the low pressure region has an inflow region.
  • Such a turbomachine is for example as
  • Such flow machines have an inflow region adjoining flow regions or Abström Suitee and wherein the flow surface preparation ⁇ having a substrate formed of blades and vanes blade cascade.
  • double-flow turbomachines are formed, wherein a flow medium, for example steam, flows over the
  • Inflow region flows in the viewed in the axial direction or in the longitudinal direction respectively left and right thereof arranged flow areas.
  • the flow medium flows in the opposite direction with respect to the respective other flow region.
  • the invention is therefore based on the object, a Strö ⁇ tion machine of the type mentioned, in particular the at least one shaft in the low pressure range of Strömungsma ⁇ machine with simple means to improve 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 consists of the material 22CrMoNiWV8-8, wherein the outflow parts can each consist of one of the following exemplary materials 26NiCrMoV14-5, 26NiCrMoVll-5 and / or 22CrNiMO9-9.
  • 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 has a cold-tough material, preferably a material of 2-4% nickel, in particular a material 26NiCrMoV14-5 (material number 1.6957), on the outflow parts arranged opposite the inlet part.
  • a cold-tough material preferably a material of 2-4% nickel, in particular a material 26NiCrMoV14-5 (material number 1.6957)
  • 26NiCrMoV14-5 material number 1.6957
  • the respective outflow part but also, for example, a material 26NiCrMoVl 1-5 (material number 1.6948) and / or 22NiCrMo9-9.
  • 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 highest temperatures prevail on the shaft or on its inflow part.
  • the inflow part of the material 22CrMoNiWV8-8 can be conveniently produced as a disk body with a diameter up to 3000mm, for the disk body no ESU melting (E_lektro-S_chlacke remelting) is necessary even with the largest shaft diameters, as well as conventional melting methods sufficient homogeneous properties are achievable.
  • the disk body is removed working to fulfill its function in flow cross-section.
  • Fig. 2 is a temperature diagram.
  • Figure 1 1 shows a shaft of a turbomachine in a half cross-section up to a central axis X.
  • Dataver mount ⁇ Lich the shaft 1 being in mirror image to the central axis X is ⁇ leads.
  • Wave 1 is part of a double-flowed der Kunststoff Scheme.
  • the turbomachine may for example be 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.
  • the medium flows at ⁇ game as steam in the low pressure area of the turbomachine, wherein the medium flow, based on the roughly medium-tig arranged inflow region 2 in two directions of flow 3 splits.
  • Each partial flow 3 flows through a not shown ⁇ posed blade grid.
  • 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 portion 6 is integrally connected to the depending ⁇ wells laterally arranged outflow parts. 7
  • the cohesive connection can be designed as a sweat ⁇ connection.
  • the TIG process preferably as TIG narrow gap welding be provided.
  • a submerged arc welding can also be used
  • the inflow part 6 is made as a disk body, which consists of the material 22CrNiMoWV8-8.
  • the material 22CrNiMoWV8-8 is made as a disk body, which consists of the material 22CrNiMoWV8-8.
  • the outflow parts 7 are each one of the following work ⁇ materials produced: 26NiCrMoV14-5: This material comprises 0.22-0.32% by weight C;
  • 26NiCrMoVll-5 This material comprises 0.22-0.32 wt% C;
  • This material comprises 0.22-0.25 wt% C;
  • FIG. 2 shows a temperature diagram in the longitudinal direction of the shaft 1.
  • the shaft 1 of the turbomachine via a tempera ture ⁇ > 350 ° C are operated in the inflow region. 2
  • the temperature decreases seen in the longitudinal direction in both outflow areas 4.
  • attainable by means of the inventively used material 22CrNiMoWV8-8 temperature curve is shown in dashed lines 9, being shown below, a conventional temperature curve 10, which does not increase the amount of 35O 0 C over ⁇ .
  • an improved shaft 1 which can be suspended in the inflow due to the inventively used ver ⁇ material 22CrNiMoWV8-8 6 of the inflow higher temperature loads (> 350 ° C).
  • the welds 8 are conveniently arranged in a tempera ⁇ tur Scheme ⁇ 350 ° C.

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Abstract

Strömungsmaschine die einen Niederdruckbereich aufweist, mit zumindest einer Welle (1) , wobei der Niederdruckbereich einen Einströmbereich (2) aufweist, die Welle (1) zumindest an ihrem im Einströmbereich (2) angeordneten Einströmteil (6) einen warmfesten Werkstoff aufweist, wobei die Welle (1) an gegenüberliegend zum Einströmteil (6) angeordneten Abströmteilen (7) einen Werkstoff 26NiCrMoV14-5 und/oder 2SNiCrMoVll-5 und/oder 22CrNiMo9-9 aufweist.

Description

Beschreibung
GESCHWEISSTE ND-TURBINΞNWELLE
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, die einen Nie¬ derdruckbereich 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 Strömungsberei¬ che 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 Strömungsmaschi¬ nen 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 < 35O0C zu beschränken ist.
Um den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessern zu kön¬ nen, 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 Werk¬ stoff ist die Versprödungsneigung zwar reduziert, wohingegen das Problem des gefügeabhängigen Zeitstandverhaltens aber nicht verbessert wird. Der Einsatz des andiskutierten modifi¬ zierten Werkstoffs ist theoretisch möglich, wobei die Werkstoffkosten allerdings um mehr als ca. 25 Prozent steigen, und Daten zum Zeitstandverhalten RpO, 2 > 600 MPa nicht ausge- wertet vorliegen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strö¬ mungsmaschine der eingangs genannten Art, insbesondere die zumindest eine Welle im Niederdruckbereich der Strömungsma¬ schine 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. Es ist vorgesehen, dass der Einströmteil aus dem Werkstoff 22CrMoNiWV8-8 besteht, wobei die Abströmteile jeweils aus einem der folgenden beispielhaften Werkstoffen 26NiCrMoV14-5, 26NiCrMoVll-5 und/oder 22CrNiMO9-9 bestehen können.
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 (Werk- stoffnummer 1.6957) aufweist . Natürlich kann der jeweilige Abströmteil aber auch beispielsweise einen Werkstoff 26NiCrMoVl 1-5 (Werkstoffnummer 1.6948) und/oder 22NiCrMo9-9 aufweisen .
Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn die Welle mehr- teilig aus einem Einströmteil und einem diesem jeweils beid¬ seitig zugeordneten Abströmteil gebildet ist. Das Einström¬ teil 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 Tem- peraturen an der Welle, bzw. an deren Einströmteil.
Insgesamt sind mit dem verwendeten Werkstoff 22CrMoNiWV8-8 für den Einströmbereich des Niederdruckteils der Welle, also des Einströmteils höhere Einströmtemperaturen (T > 35O0C) 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 (E_lektro-S_chlacke-Umschmelzung) auch bei größten Wellendurchmessern notwendig ist, da auch über konventionelle Erschmelzungsverfahren ausreichend homogene Eigenschaften erreichbar sind. Der Scheibenkörper wird ent- sprechend 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 ToIe- ranzen bzw. spezieller Anforderungen an die Lieferanten.
Der Einströmteil erfüllt vorteilhaft aufgrund des neuen Werk¬ stoffs 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 < 35O0C 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 Strö- mungsmaschine im Halbquerschnitt, und
Fig. 2 ein Temperaturdiagramm.
Figur 1 zeigt eine Welle 1 einer Strömungsmaschine in einem Halbquerschnitt bis zu einer Mittelachse X. Selbstverständ¬ lich ist die Welle 1 spiegelbildlich zur Mittelachse X ausge¬ führt. Die Welle 1 ist Bestandteil eines doppelflutigen Nie- derdruckbereichs . Die Strömungsmaschine kann z.B. eine Dampf¬ turbine 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 bei¬ spielsweise Dampf in den Niederdruckbereich der Strömungsmaschine, wobei sich der Mediumstrom, bezogen auf den etwa mit- tig angeordneten Einströmbereich 2 in zwei Strömungsrichtungen 3 aufteilt. Jeder Teilstrom 3 durchströmt ein nicht dar¬ gestelltes 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 je¬ weils seitlich angeordneten Abströmteilen 7 stoffschlüssig verbunden. Die Stoffschlüssige Verbindung kann als Schwei߬ verbindung ausgeführt sein. Als Schweißverfahren kann das WIG-Verfahren, vorzugsweise als WIG-Engspaltschweißung vorge- sehen sein. Natürlich kann auch eine Unterpulver-Schweißung
(UP) vorgesehen sein. Die jeweilige Schweißnaht trägt das Be¬ zugszeichen 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 Werk¬ stoffe herstellbar: 26NiCrMoV14-5: 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;
3,40-4,00 Gew.-% Ni und 0,05-0,15 Gew.-% V.
26NiCrMoVll-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 Tempera¬ tur >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 dar- gestellt, wobei unterhalb eine herkömmliche Temperaturkurve 10 dargestellt ist, welche den Betrag von 35O0C nicht über¬ steigt .
Somit ist eine verbesserte Welle 1 zur Verfügung gestellt, welche im Einströmbereich aufgrund des erfindungsgemäß ver¬ wendeten Werkstoffs 22CrNiMoWV8-8 des Einströmteils 6 höheren Temperaturbelastungen (>350°C) ausgesetzt werden kann. Die Schweißnähte 8 sind dabei günstiger Weise in einem Tempera¬ turbereich <350°C angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Strömungsmaschine, die einen Niederdruckbereich aufweist, mit zumindest einer Welle (1), wobei der Niederdruckbereich einen Einströmbereich (2) aufweist, die Welle (1) zumindest an ihrem im Einströmbereich (2) an- geordneten Einströmteil (6) einen warmfesten Werkstoff auf¬ weist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) an gegenüberliegend zum Einströmteil (6) an¬ geordneten Abströmteilen (7) einen Werkstoff 26NiCrMoV14-5 und/oder 26NiCrMoVl 1-5 und/oder 22CrNiMo9-9 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) an- geordneten Abströmteilen (7) einen kaltzähen Werkstoff aufweist .
4. 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) ge¬ bildet ist.
5. Strömungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmteil (6) mit seinen gegenüberliegenden Abströmteilen (7) stoffschlüssig verbunden ist.
6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmteil (6) als Scheibenkörper hergestellt ist.
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