EP2027299A1 - Verfahren zum einbringen von druckeigenspannungen in eine welle, insbesondere in wellenkerben - Google Patents

Verfahren zum einbringen von druckeigenspannungen in eine welle, insbesondere in wellenkerben

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EP2027299A1
EP2027299A1 EP07712293A EP07712293A EP2027299A1 EP 2027299 A1 EP2027299 A1 EP 2027299A1 EP 07712293 A EP07712293 A EP 07712293A EP 07712293 A EP07712293 A EP 07712293A EP 2027299 A1 EP2027299 A1 EP 2027299A1
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EP
European Patent Office
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shaft
final
contour
diameter transitions
diameter
Prior art date
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EP07712293A
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English (en)
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Inventor
Michael Brändle
Torsten-Ulf Kern
Christoph Richter
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Classifications

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    • 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
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/28—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for plain shafts

Definitions

  • the invention relates to a method for introducing residual compressive stresses in wave notches of a wave, which are designed as stepped waves with successive stages of different diameters, wherein between each adjacent stages diameter transitions or notch regions are arranged on ⁇ .
  • Such waves are known and are, for example, in machines ⁇ flow, such as steam turbines, the pressing member having a low (ND), is used, so that these can be referred to as ND-waves.
  • the shaft carries running ⁇ blades, which together with associated vanes form a blade grid, through which flows a flow medium, for example, steam.
  • the shaft consists of a base material with cryogenic own sheep ⁇ th, for example, be 2-3, 5-NiCrMoV steels for the manufacture ⁇ development of the LP shaft used.
  • the flow medium acts in part as a corrosive medium to the components of the turbomachine, for example, on ticket ⁇ ben disc in runners or near-surface regions of the shaft, in particular the shafts of the low-pressure turbine sections. Due to the influence of these corrosive media, the fatigue strength of the base material can be significantly reduced. A reduction in the fatigue strength of the base material, for example, the waves in low-pressure turbine parts, but disadvantageously also causes a reduction in the life of the shaft.
  • the invention has for its object to improve a method for introducing residual compressive stresses in wave notches of a wave of the type mentioned in simple terms to the effect that the resistance to construction ⁇ partial failure due to corrosion and vibration stress is significantly improved.
  • Diameter transitions or notch areas of the shaft after a last tempering treatment for example, a heat treatment tempered at tempering temperature and / or below the tempering temperature controlled quenched.
  • the wave is protected, for example, by wet steam, especially in their wave notches before a fatigue reduction.
  • a protective layer according to the invention a procedural ren for selectively increasing the residual compressive stresses in diameter transitions or notch areas performed. It is expediently provided that the diameter transitions or notch regions for quenching are sprayed specifically with a cooling liquid or a quenching medium. For controlled quenching, however, it can also be provided that the shaft as a whole is transferred to a dipping bath.
  • a separate heat treatment can also be carried out after the tempering treatment of the tempering, with the sole aim of introducing residual compressive stresses.
  • any suitable medium can be selected, preferably water, but also air-water mixtures, suitable polymers or oil or emulsions can be used as a cooling liquid or quenching medium.
  • the Ver ⁇ treatment contour is removed in the production of the final final contour after quenching.
  • the intended allowance still provides sufficiently high residual compressive stresses in the shaft surface, especially in the transition radii (diameter transitions or notch areas), with a defined depth effect. It is expedient for the purposes of the invention if the allowance has bezo ⁇ gene on the final contour of the shaft during final use an amount of not more than 10 to 40 mm.
  • the diameter transitions or notch regions have a radius with an amount R of 25 to 50 mm in their compensation contour.
  • the radii (diameter transitions or notch areas) of the compensation contour of the shaft are therefore designed specifically with a defined dimension as a function of the compressive residual stresses and depth distribution required in the finished contour.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a shaft for a
  • Fig. 1 shows a section of a shaft 1, which as a stepped shaft with different successive stages 2 diameter D 1 to D4 based on a central axis X out ⁇ leads, wherein for example, four stages 2 are shown.
  • the illustrated, exemplary shaft 1 is part of a low-pressure part of a turbomachine, for example a low-pressure turbine part of a steam turbine.
  • the shaft 1 is, for example, be for example made of a material with cryogenic natural sheep ⁇ th 2-3, 5-NiCrMoV steels for the manufacture of lung ND wave used. Of course, the waves can also be made of other materials or material combinations.
  • diameter transitions 3 and kerf areas are arranged.
  • the diameter ⁇ junctions 3 are based on the central axis X slightly curved towards the central axis X or executed convex with a radius R.
  • these and the notch areas are controlled quenched in a heat treatment or after heating the shaft.
  • the diameter transitions 3 or notch regions are preferably quenched in a controlled manner after a final tempering treatment at tempering temperature.
  • a subsequent, separate heating and quenching after tempering as a separate process step is of course also possible.
  • a cooling liquid or a quenching medium is controlled quenching after the last tempering treatment at tempering temperature sprayed on the diameter transitions 3 which is represented by ⁇ means of the fan-shaped sprays. 4
  • a cooling liquid or quenching medium for quenching can Any suitable medium can be selected, preferably water, but also air-water mixtures, suitable polymers or oil or emulsions can be used.
  • the wave 1 can also be immersed as a whole.
  • the shaft 1 is designed with a heat treatment contour 6.
  • the allowance 8 of the shaft 1 in the heat treatment contour 6 for the tempering heat treatment is therefore increased by a maximum of 10 to 40 mm preferably in the respective Wel ⁇ Lenradius r or the respective diameter transition 3 compared to the final final contour 7. This ensures that after quenching (spraying or dipping) a possible distortion of the shaft 1 can still be compensated.
  • the oversizes can be adapted, or mechanical processing can also take place if a separate heat treatment for the generation of (pressure) residual stresses takes place after the tempering treatment from tempering.
  • the finishing (the preparation of the final end contour) 8 is still sufficiently high compressive residual stresses remain by this maximum allowance in the shaft surface and spe ⁇ essential condition in the transition radii or diameters transitions 3 with a defined depth.
  • the radii R have an amount of R approximately equal to 25 to 50 mm.
  • the respective transitions of the diameter transitions 3 to the respective stages 2 are covered in the exemplary embodiment illustrated sharp and even at least edited ⁇ course of producing the final contour of the final accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Druckeigenspannungen in Wellenkerben einer Welle (1), die als gestufte Welle mit aufeinander folgenden Stufen (2) unterschiedlichen Durchmessers (D) ausgeführt ist. Zwischen jeweils zwei benachbarten Stufen (2) sind Durchmesserübergänge (3) bzw. Kerbbereiche angeordnet. Die Durchmesserübergänge (3) bzw. Kerbbereiche werden im Rahmen einer Wärmebehandlung der Welle (1) kontrolliert abgeschreckt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Einbringen von Druckeigenspannungen in eine Welle, insbesondere in Wellenkerben
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Druckeigenspannungen in Wellenkerben einer Welle, die als gestufte Wellen mit aufeinander folgenden Stufen unterschiedlichen Durchmessers ausgeführt sind, wobei zwischen jeweils be- nachbarten Stufen Durchmesserübergänge bzw. Kerbbereiche an¬ geordnet sind.
Derartige Wellen sind bekannt und werden z.B. in Strömungs¬ maschinen, beispielsweise Dampfturbinen, die einen Nieder- druckteil (ND) aufweisen, eingesetzt, so dass diese auch als ND-Wellen bezeichnet werden können. Die Welle trägt Lauf¬ schaufeln, die zusammen mit zugeordneten Leitschaufeln ein Schaufelgitter bilden, durch die ein Strömungsmedium beispielsweise Dampf strömt.
Insbesondere im Niederdruckteil der Strömungsmaschine besteht die Welle aus einem Grundwerkstoff mit kaltzähen Eigenschaf¬ ten, beispielsweise werden 2-3, 5-NiCrMoV-Stähle zur Herstel¬ lung der ND-Welle verwendet.
Das Strömungsmedium wirkt zum Teil als korrosives Medium auf die Bauteile der Strömungsmaschine beispielsweise auf Schei¬ ben in Scheibenläufern oder auf oberflächennahe Bereiche der Welle, insbesondere der Wellen von Niederdruckteilturbinen. Durch den Einfluss dieser korrosiven Medien kann die Dauerfestigkeit des Grundwerkstoffs erheblich verringert werden. Eine Verringerung der Dauerfestigkeit des Grundwerkstoffs, beispielsweise der Wellen in Niederdruckteilturbinen, bewirkt aber nachteiligerweise gleichfalls eine Verringerung der Lebensdauer der Welle.
Um dieses Problem zu lösen ist es bekannt, Schwingtestig- keitsuntersuchungen unter dem Einfluss korrosiver Medien durchzuführen, wobei entsprechende Auslegungsdaten zur Anwendung in der Berechnung (abgesenkt gegenüber Luftumgebung) erstellt werden. Bekannt ist aber auch, Betriebsspannungen zu reduzieren, indem beispielsweise Druckeigenspannungen in Nie- derdruckklauen und Nutbereichen durch Rollieren oder Kugeldruckstrahlen im fertig bearbeiteten Zustand bzw. bei der finalen Endkontur der Welle eingebracht werden. Möglich ist aber auch, Druckspannungen im kerbfreien Bereich der Welle durch eine geeignete Wärmebehandlung einzubringen. Bei der Herstellung der Wellen müssen höchste Toleranzen eingehalten werden, wobei die Lebensdauer der Bauteile, insbesondere der Wellen, durch von vorhandenen Durchmesserübergängen bzw. Kerbbereichen ausgehenden Rissen reduziert werden kann. Die Rissempfindlichkeit, insbesondere an Durchmesserübergängen bzw. Kerbbereichen wirkt sich höchst nachteilig auf die Lebensdauer der Wellen aus (Bauteilversagen) .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbringen von Druckeigenspannungen in Wellenkerben einer Welle der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, dass die Beständigkeit gegenüber Bau¬ teilversagen in Folge Korrosion und Schwingungsbeanspruchung erheblich verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die
Durchmesserübergänge bzw. Kerbbereiche der Welle nach einer letzten Anlassbehandlung beispielsweise einer Vergütungswärmebehandlung bei Anlasstemperatur und/oder unterhalb der Anlasstemperatur kontrolliert abgeschreckt werden.
Damit wird die Welle, insbesondere in ihren Wellenkerben vor einer Dauerfestigkeitsreduzierung beispielsweise durch Nassdampf geschützt. Hierbei wird vorteilhaft neben dem Aufbrin¬ gen von z.B. einer Schutzschicht erfindungsgemäß ein Verfah- ren zur gezielten Erhöhung der Druckeigenspannungen in Durchmesserübergängen bzw. Kerbbereichen durchgeführt. Es ist günstigerweise vorgesehen, dass die Durchmesserübergänge bzw. Kerbbereiche zum Abschrecken gezielt mit einer Kühlflüssigkeit bzw. einem Abschreckmedium besprüht werden. Zum kontrollierten Abschrecken kann aber auch vorgesehen wer- den, dass die Welle als Ganzes in ein Tauchbad überführt wird.
Es kann auch nach der Anlassbehandlung der Vergütung eine separate Wärmebehandlung durchgeführt werden, mit dem allei- nigen Ziel der Einbringung von Druckeigenspannungen. Um die erzielten mechanischen Eigenschaften nicht zu beeinflussen, wird dabei zweckmäßiger Weise eine Temperatur gewählt, die einen ausreichenden Abstand zur letzten Wärmebehandlungstemperatur hat, aber noch ausreichend hoch ist, um den gewünsch- ten Effekt zu erzielen.
Als Kühlflüssigkeit bzw. Abschreckmedium zum Abschrecken kann jedes geeignete Medium gewählt werden, vorzugsweise Wasser, wobei aber auch Luft-Wasser-Gemische, geeignete Polymere oder Öl bzw. Emulsionen als Kühlflüssigkeit bzw. Abschreckmedium verwendet werden können.
Um zu gewährleisten, dass nach dem Abschrecken (Sprühen oder Tauchen) ein möglicher Verzug des Bauteils bzw. der Welle ausgeglichen werden kann, ist es günstig im Sinne der Erfindung, wenn die Durchmesserübergänge bzw. die Kerbbereiche in einer Vergütungskontur mit einem, bezogen auf eine finale Endkontur, versehenen Aufmaß hergestellt sind, wobei die Ver¬ gütungskontur bei der Herstellung der finalen Endkontur nach dem Abschrecken entfernt wird. Nach der Fertigbearbeitung bzw. der Herstellung der finalen Endkontur bleiben durch das vorgesehene Aufmaß noch ausreichend hohe Druckeigenspannungen in der Wellenoberfläche speziell in den Übergangsradien (Durchmesserübergänge bzw. Kerbbereiche) mit einer definier- ten Tiefenwirkung erhalten. Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn das Aufmaß bezo¬ gen auf die endgültige Kontur der Welle beim finalen Einsatz einen Betrag von maximal 10 bis 40 mm aufweist.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Durchmesserübergänge bzw. Kerbbereiche bei ihrer Vergütungskontur einen Radius mit einem Betrag R von 25 bis 50 mm aufweisen. Die Radien (Durchmesserübergänge bzw. Kerbbereiche) der Vergütungskontur der Welle werden demnach speziell mit einem definierten Maß als Funktion der in der Fertigkontur benötigten Druckeigenspannungen und Tiefenverteilung ausgeführt.
Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verringerung der örtlichen Spannungsbelastung bei Stillstand und im Betrieb der Welle erreicht. Zudem wird eine Rissempfind¬ lichkeit an Radien bzw. Durchmesserübergängen reduziert, was zu einer verbesserten bzw. verlängerten Lebensdauer der Welle bzw. des erfindungsgemäß behandelten Bauteils führt. Durch die gezielte Einstellung von Druckeigenspannungen von -100 bis -400 MPa an der Wellenoberfläche, insbesondere in den
Durchmesserübergängen bzw. Übergangsradien in Folge des gezielten Abschreckens der Welle, können auch größere oberflä¬ chennahe Fehlstellen im behandelten Bauteil bzw. der Welle zulässig sein, so dass die Welle insgesamt preiswerter herzu- stellen ist, da enge Toleranzen für mögliche Fehlstellen aus dem Herstellungsprozess nicht mehr unbedingt einzuhalten sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart .
Es zeigt die einzige
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Welle für einen
Niederdruckteil einer Strömungsmaschine bzw. einer Dampfturbine. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Welle 1, die als gestufte Welle mit aufeinander folgenden Stufen 2 unterschiedlichen Durchmessers D 1 bis D4 bezogen auf eine Mittelachse X ausge¬ führt ist, wobei beispielhaft vier Stufen 2 dargestellt sind. Die dargestellte, beispielhafte Welle 1 ist Bestandteil eines Niederdruckteils einer Strömungsmaschine beispielsweise einer Niederdruckteilturbine einer Dampfturbine. Die Welle 1 ist beispielsweise aus einem Werkstoff mit kaltzähen Eigenschaf¬ ten hergestellt z.B. werden 2-3, 5-NiCrMoV-Stähle zur Herstel- lung der ND-Welle verwendet. Natürlich können die Wellen aber auch aus anderen Werkstoffen oder Werkstoffkombinationen hergestellt sein.
Zwischen jeweils zwei benachbarten Stufen 2 sind Durchmesser- Übergänge 3 bzw. Kerbbereiche angeordnet. Die Durchmesser¬ übergänge 3 sind bezogen auf die Mittelachse X leicht in Richtung zur Mittelachse X gewölbt bzw. konvex mit einem Radius R ausgeführt.
Um eine gezielte Einstellung von Druckeigenspannungen von -100 bis -400 MPa an der Wellenoberfläche, insbesondere an den Durchmesserübergängen 3 bzw. den Übergangsradien zu erreichen, werden diese bzw. die Kerbbereiche im Rahmen einer Wärmebehandlung bzw. nach Erwärmung der Welle kontrolliert abgeschreckt.
Bevorzugterweise werden die Durchmesserübergänge 3 bzw. Kerb¬ bereiche nach einer letzten Anlassbehandlung bei Anlasstemperatur kontrolliert abgeschreckt. Eine nachfolgende, separate Erwärmung und Abschreckung nach dem Anlassen als separater Prozessschritt ist natürlich auch möglich.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur kontrollierten Abschreckung nach der letzten Anlassbehandlung bei Anlasstemperatur eine Kühlflüssigkeit bzw. ein Abschreckmedium auf die Durchmesserübergänge 3 aufgesprüht, was mit¬ tels der fächerförmigen Sprühstrahlen 4 dargestellt ist. Als Kühlflüssigkeit bzw. Abschreckmedium zum Abschrecken kann jedes geeignete Medium gewählt werden, vorzugsweise Wasser, wobei aber auch Luft-Wasser-Gemische, geeignete Polymere oder Öl bzw. Emulsionen eingesetzt werden können. Die Welle 1 kann aber auch als ganzes getaucht werden.
Bei dem in Fig. 1 prinzipiell dargestellten Ausführungsbei¬ spiel ist die Welle 1 mit einer Wärmebehandlungskontur 6 ausgeführt. Bezogen auf eine Fertigkontur (gestrichelte Linie 7, zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt) , also einer fer- tig bearbeiteten Welle 1 mit ihrer zum Einbau in den Niederdruckteil der Dampfturbine fertig bearbeiteten Finalkontur weist die Wärmebehandlungskontur 6 ein Aufmaß 8 von maximal 10 bis 40 mm im jeweiligen Wellenradius rl bis r4 (r=D/2) auf .
Das Aufmaß 8 der Welle 1 in der Wärmebehandlungskontur 6 wird für die Vergütungswärmebehandlung (Anlassbehandlung) also gezielt um maximal 10 bis 40 mm bevorzugt im jeweiligen Wel¬ lenradius r bzw. dem jeweiligen Durchmesserübergang 3 gegen- über der finalen Endkontur 7 vergrößert. Damit ist gewährleistet, dass nach dem Abschrecken (Sprühen oder Tauchen) ein möglicher Verzug der Welle 1 noch ausgeglichen werden kann.
Es kann bei z.B. zweifacher Anlassbehandlung auch eine mecha- nische Bearbeitung durchgeführt werden. Hierbei können dann die Aufmaße angepasst werden, bzw. kann auch eine mechanische Bearbeitung erfolgen, wenn eine separate Wärmebehandlung zur Erzeugung von (Druck) Eigenspannungen im Anschluss an die Anlassbehandlung aus dem Vergüten erfolgt.
Nach der Fertigbearbeitung (Herstellung der finalen Endkontur) bleiben durch dieses maximale Aufmaß 8 noch ausreichend hohe Druckeigenspannungen in der Wellenoberfläche und spe¬ ziell in den Übergangsradien bzw. Durchmesserübergängen 3 mit einer definierten Tiefenwirkung erhalten. In der Wärmebehandlungskontur 6 weisen die Radien R einen Betrag von R etwa gleich 25 bis 50 mm auf. Die jeweiligen Übergänge von den Durchmesserübergängen 3 zu den jeweiligen Stufen 2 sind in dem beispielhaften Ausführungsbeispiel überzogen scharf dargestellt und werden selbst¬ verständlich zumindest zur Herstellung der finalen Endkontur entsprechend bearbeitet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einbringen von Druckeigenspannungen in Wellenkerben einer Welle (1), die als gestufte Welle mit aufeinander folgenden Stufen (2) unterschiedlichen Durchmessers (D) ausgeführt ist, wobei zwischen jeweils benachbarten Stufen (2) Durchmesserübergänge (3) bzw. Kerbbereiche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserübergänge (3) bzw. Kerbbereiche nach einer letzten Anlassbehandlung im Rahmen einer Vergütungswärmebehandlung kontrolliert abgeschreckt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserübergänge (3) bzw. Kerbbereiche zum Abschre¬ cken gezielt mit einem Abschreckmedium besprüht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserübergänge (3) bzw. Kerbbereiche zum Abschre¬ cken durch einen Tauchvorgang gekühlt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserübergänge (3) bzw. Kerbbereiche mit einem bezogen auf eine finale Endkontur (7) versehenen Aufmaß (8) hergestellt sind, wobei die Wärmebehandlungskontur (6) bei der Herstellung der finalen Endkontur (7) bzw. nach dem Ab- schrecken entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufmaß (8) bezogen auf die finale Endkontur (7) der Welle (1) beim finalen Einsatz einen Betrag von maximal 10 bis 40 mm aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserübergänge (3) bzw. Kerbbereiche bei ihrer Vergütungskontur (6) einen Radius mit einem Betrag (R) von 25 bis 50 mm aufweisen.
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