EP2620589A1 - Geschweisster Turbinenrotor - Google Patents

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EP2620589A1
EP2620589A1 EP12152424.3A EP12152424A EP2620589A1 EP 2620589 A1 EP2620589 A1 EP 2620589A1 EP 12152424 A EP12152424 A EP 12152424A EP 2620589 A1 EP2620589 A1 EP 2620589A1
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EP
European Patent Office
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heat
components
affected zone
schutzanformungen
region
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12152424.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Brussk
Walter David
Andrei Ghicov
Torsten-Ulf Kern
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP12152424.3A priority Critical patent/EP2620589A1/de
Publication of EP2620589A1 publication Critical patent/EP2620589A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D5/02—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

Definitions

  • the invention relates to a device of components welded together and in particular a composite of a plurality of rotor segments turbine rotor.
  • a parameter characterizing the material properties and which can be influenced by heat represents the hardness.
  • the hardness typically increases, as a result of which the device becomes harder, but also more brittle, in the region of the heat-affected zone.
  • the sensitivity to medium influence and notch effect often increases with axial stresses / circulating bending stresses, which is disadvantageous, above all, in devices on which permanent tensile stresses or vibrations act.
  • the device Due to the increased sensitivity, it is often precisely in the heat-affected zone that the lowest loadable area of a device constructed from a plurality of components welded together due to a possible notch effect is provided.
  • the changes in the material properties in the heat affected zone must be taken into account. This happens, for example, in that a selection of materials adapted to the respective welding process is made for the components in which, after the welding of the components in the region of the Heat affected zone is given a desired load capacity of the component and in particular a desired hardness in the region of the heat affected zone.
  • the device is subsequently heat-treated at least in the region of the heat-affected zone, in order thereby to bring about a favorable change in the material properties.
  • the invention has the object to provide a device of welded together components with improved weld.
  • the device is, in particular, a turbine rotor composed of a plurality of rotor segments, which is preferably designed for use in a system for generating electrical energy.
  • the device is constructed from at least two components which are lined up along a rotation axis and are connected to one another via at least one weld seam. These preferably form a shaft.
  • each component has a protuberance projecting in the radial direction, and the weld seam and a heat-affected zone enveloping the weld seam are continued between the protective moldings, so that the protective moldings of the components are connected to one another.
  • the device and in particular the heat-affected zone of the device is less susceptible to stress corrosion cracking, which is why the device is preferably intended for use in a medium such as water vapor.
  • the heat-affected zone is formed by suitable design measures such that in the region where tensile stresses act, the heat-affected zone is no longer exposed to a medium. Where the heat-affected zone is exposed to a medium, preferably no tensile forces act.
  • the geometry of the Schutzanformonne given geometry of the device is chosen such that the expected in intended use of the device from the outside acting on the device tensile forces has the least possible impact on the interconnected via the weld Schutzanformonne.
  • the Schutzanformungen are designed flange. This is particularly advantageous if the device identifies a basic geometry which is rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation and the weld seam fills a disk-shaped or annular partial volume of the device. In addition, such shaped protection requirements are technically particularly easy to implement.
  • At least one protective molding has a recess in the region of a radially inner end of the protective molding.
  • the aim is to prevent an unfavorable force transmission or force transmission within the device such that when using the device occurring and attacking from the outside of the device forces in the least possible extent cause tensile stresses in the region of Schutzanformungen.
  • the indentations act as a kind of relief notches, which prevent the build-up of tensile stresses in the area of Schutzanform12.
  • a variant of the device is advantageous in which the course of the heat-affected zone is deflected in the region of the protective projections.
  • the course of the heat-affected zone is further preferably aligned in the region of a radially outer end of the protective projections substantially parallel to the axis of rotation.
  • an embodiment of the device is expedient in which a cover is provided in the region of a radially outer end of the protective projections.
  • the components of the device are made of different materials and in particular of different alloys.
  • Such a configuration is advantageous, for example, if the local load on the device varies significantly over the extent of the device, and thus different demands are placed on the individual components of the device.
  • a defined predetermined maximum load limit such as a maximum tensile stress in the longitudinal direction of the device for which the device is designed
  • at least one of the components of a material with a, compared to components without Schutzanformung higher hardness is made.
  • the hardness is increased by 10% to 25%.
  • the device and in particular the heat affected zone with a same choice of material against a Device without protective formations less susceptible to stress corrosion cracking.
  • the device presented here is thus designed in the case of a choice of material, as usual, for a higher load.
  • the intended maximum load limit such as a maximum tension in the longitudinal direction of the device, and to adapt the choice of material for the components accordingly.
  • the selection criterion is, for example, the hardness of a Materials, therefore, the selection of a suitable material for the components, among other things as described above based on the hardness value of the material is made. If, for example, when executing a conventional welding connection between the components, a material is provided for the components with a Vickers hardness of a maximum of 350HV10, the execution of the weld joint presented here allows this limit value to be increased to 420HV10.
  • the improved welded joint quasi as a substitute for a heat treatment usually carried out is particularly useful if the device otherwise, for example, due to their dimensions, must be reheated heat treatment with relatively large technical effort.
  • a combination of the improved welded joint with a postheat treatment makes it possible to further improve the properties of the device.
  • a local and in particular limited to the field of Schutzanformungen heat post-treatment is carried out according to a preferred approach.
  • An alternative preferred procedure is superimposed on a global post-heat treatment for a local post-treatment, which is especially limited to the area of the protective formations.
  • FIG. 1 a turbine rotor 2, in particular a steam or gas turbine of a plant for generating electrical energy, with conventional welded joint and in FIG. 2 a turbine rotor 2 with improved welded connection in each case partially shown in a sectional view.
  • the turbine rotor 2 is composed of a plurality of rotor segments 4, which are lined up along a rotation axis 6, which have a cylindrical basic geometry and which are frontally connected via at least one weld 8 cohesively, ie welded together.
  • the welding of the rotor segments 4 is typically carried out by means of a narrow gap welding process, during which forms a heat affected zone 10 in the region of the weld 8 in the rotor segments 4 due to heat, among other things, the hardness of the material from which the rotor segments 4 are made, compared to Hardness is increased in the rotor segments 4 outside the heat affected zone 10.
  • a narrow gap welding process an additional material input of a welding filler occurs in a gap between the pipe segments 4.
  • each rotor segment 4 has a flange-like, annular Schutzanformung 18, which is positioned on the outer surface 16 and projects in the radial direction 12.
  • the weld seam 8 and thus also the heat-affected zone 10 are continued between the protective projections 18 of the rotor segments 4, so that the protective projections 18 are also connected to one another via the welded seam 8.
  • the weld seam exit point 14 or the weld seam exit region is displaced outward in the radial direction 12 and thus displaced in the direction of a radially outer end of the protective moldings 18, where a lower local load due to tensile stresses is applied.
  • the weld 8 is endwise in the manner of a cover Formed 20, wherein that cover 20 is made by build-up welding of the welding filler used. Due to this configuration of the weld seam 8 in the end region, the course of the heat affected zone 10 is deflected in just this area and the surface normal of the surface of the heat affected zone 10, which is part of the outer surface 16, is parallel to the axis of rotation 6. Since in particular tensile stresses with respect to stress corrosion cracking critical are perpendicular to the surface normal, and since due to the deflection of the course of the heat affected zone 10, the local load with such directed tensile stresses is further reduced, ultimately the susceptibility of the turbine rotor 2 against stress corrosion cracking is further reduced.
  • FIG. 3 An alternative embodiment of the turbine rotor 2 is shown in FIG. 3 displayed.
  • each Schutzanformung 18 in addition to a preferably annular encircling relief notch 22, which is placed at a radially inner end of the Schutzanformung 18.
  • the arrangement of the relief notches 22 takes place between the main bodies of the rotor segments 4 and the weld exit point 14 or the weld exit area, whereby the local load is additionally reduced by tensile stresses in the region of the weld exit point 14 and the weld exit area, in particular if the tensile stresses in the turbine rotor 2 by a external force is caused, the point of attack is not in the range of Schutzanformept 18.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2), insbesondere aus mehreren Rotorsegmenten (4) zusammengesetzter Turbinenrotor (2), aufgebaut aus zumindest zwei entlang einer Rotationsachse (6) aneinandergereihten und miteinander über zumindest eine Schweißnaht (8) verbundenen Bauteilen (4), wobei jedes Bauteil (4) eine in radialer Richtung (12) abstehende Schutzanformung (18) aufweist und wobei die Schweißnaht (8) sowie eine die Schweißnaht (8) umhüllende Wärmeeinflusszone (10) zwischen den Schutzanformungen (18) weitergeführt sind, so dass die Schutzanformungen (18) der Bauteile (4) miteinander verbunden sind. Vorzugsweise verläuft die Wärmeeinflusszone parallel zu den Bauteilen (4).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus miteinander verschweißten Bauteilen und insbesondere einen aus mehreren Rotorsegmenten zusammengesetzten Turbinenrotor.
  • Werden Bauteile durch Schweißen und somit über eine Schweißnaht miteinander verbunden, so werden hierdurch die Materialeigenschaften der Bauteile im Bereich der Verbindung verändert. Diese Änderung der Materialeigenschaften ist auf die Wärmeeinwirkung während dem Schweißprozess zurückzuführen, weswegen der betroffene Bereich auch als Wärmeinflusszone bezeichnet wird. In der Regel ist die Änderung der Materialeigenschaften nachteilig und daher unerwünscht.
  • Eine die Materialeigenschaften charakterisierende und durch Wärmeeinwirkung beeinflussbare Größe stellt die Härte dar. Beim Verschweißen der Bauteile erhöht sich die Härte typischerweise, wodurch die Vorrichtung im Bereich der Wärmeeinflusszone härter, jedoch auch spröder wird. Mit zunehmender Härte steigt daher häufig die Sensitivität gegenüber Mediumeinfluss und Kerbwirkung bei Axialspannungen/Umlaufbiegespannungen, was vor allem bei Vorrichtungen nachteilig ist, auf die permanent Zugspannungen oder Vibrationen einwirken.
  • Aufgrund der erhöhten Sensitivität ist oft gerade in der Wärmeinflusszone der am geringsten belastbare Bereich einer aus mehreren miteinander verschweißten Bauteilen aufgebauten Vorrichtung aufgrund einer möglichen Kerbwirkung gegeben. Bei der Auslegung der Vorrichtung und insbesondere der Bauteile müssen daher die Änderungen der Materialeigenschaften in der Wärmeinflusszone berücksichtigt werden. Dies geschieht zum Beispiel dadurch, dass für die Bauteile eine an den jeweiligen Schweißprozess angepasste Materialauswahl getroffen wird, bei der nach dem Verschweißen der Bauteile im Bereich der Wärmeeinflusszone eine gewünschte Belastbarkeit des Bauteils und insbesondere eine gewünschte Härte im Bereich der Wärmeeinflusszone gegeben ist. Alternativ oder ergänzend hierzu wird die Vorrichtung nach dem Verschweißen der Bauteile zumindest im Bereich der Wärmeeinflusszone wärmenachbehandelt, um hierdurch eine vorteilhafte Änderung der Materialeigenschaften hervorzurufen.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung aus miteinander verschweißten Bauteilen mit verbesserter Schweißverbindung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
  • Bei der Vorrichtung handelt es sich insbesondere um einen aus mehreren Rotorsegmenten zusammengesetzten Turbinenrotor, der vorzugsweise für einen Einsatz in einer Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgelegt ist. Aufgebaut ist die Vorrichtung aus zumindest zwei entlang einer Rotationsachse aneinandergereihten und miteinander über zumindest eine Schweißnaht verbundenen Bauteilen. Diese bilden vorzugsweise eine Welle aus. Dabei weist jedes Bauteil eine in radialer Richtung abstehende Schutzanformung auf und die Schweißnaht sowie eine die Schweißnaht umhüllende Wärmeeinflusszone sind zwischen den Schutzanformungen weitergeführt, so dass die Schutzanformungen der Bauteile miteinander verbunden sind. Hierdurch ist die Vorrichtung und insbesondere die Wärmeeinflusszone der Vorrichtung weniger anfällig für Spannungsrisskorrosion, weswegen die Vorrichtung bevorzugt für den Einsatz in einem Medium, wie beispielsweise Wasserdampf, vorgesehen ist.
  • Mit Hilfe der Schutzanformungen und aufgrund der Weiterführung der Schweißnaht zwischen den Schutzanformungen werden die Teilbereiche der Schweißnaht, die mit dem aggressiven Medium unmittelbar in Kontakt stehen in Bereiche der Vorrichtung verlagert, in denen verhältnismäßig geringe und insbesondere gegenüber den übrigen Bereichen der Vorrichtung reduzierte Zugspannungen wirken. Gerade die Kombination aus einem angreifenden aggressiven Medium und wirkender Zugspannungen ist eine Ursache für die Spannungsrisskorrosion. Die Verlagerung der Schweißnahtaustrittspunkte, also der Bereiche der Schweißnaht, die dem aggressiven Medium unmittelbar ausgesetzt sind, in einen Bereich, in dem geringe oder zumindest reduzierte Zugspannungen wirken, führt daher in vorteilhafter Weise zu einer Reduzierung der Sensitivität der Vorrichtung und insbesondere der Wärmeeinflusszone gegenüber Spannungsrisskorrosion.
  • Erfindungsgemäß ist daher allgemein vorgesehen, dass durch geeignete konstruktive Maßnahmen die Wärmeinflusszone derart ausgebildet wird, dass in dem Bereich, wo Zugspannungen wirken, die Wärmeeinflusszone keinem Medium mehr ausgesetzt ist. Dort wo die Wärmeinflusszone einem Medium ausgesetzt ist, wirken vorzugsweise keine Zugkräfte mehr.
  • Vorzugsweise wird dabei die Geometrie der Schutzanformungen bei gegebener Geometrie der Vorrichtung derart gewählt, dass die bei vorgesehener Nutzung der Vorrichtung zu erwartenden von außen auf die Vorrichtung wirkenden Zugkräfte einen möglichst geringen Einfluss auf die über die Schweißnaht miteinander verbundenen Schutzanformungen hat.
  • Entsprechend einer bevorzugten Variante der Vorrichtung sind die Schutzanformungen flanschartig ausgestaltet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Vorrichtung eine zur Rotationsachse rotationssymmetrische Grundgeometrie ausweist und die Schweißnaht ein scheiben- oder ringförmiges Teilvolumen der Vorrichtung ausfüllt. Zudem sind derart geformte Schutzanforderungen technisch besonders einfach zu realisieren.
  • In vorteilhafter Weiterbildung weist zumindest eine Schutzanformung eine Einbuchtung im Bereich eines radial inneren Endes der Schutzanformung auf. Ziel ist es dabei, eine ungünstige Kraftübertragung oder Kraftweiterleitung innerhalb der Vorrichtung derart zu unterbinden, dass bei Nutzung der Vorrichtung auftretende und von außen an der Vorrichtung angreifende Kräfte in möglichst geringem Ausmaß Zugspannungen im Bereich der Schutzanformungen hervorrufen. Somit wirken die Einbuchtungen quasi als Entlastungskerben, die den Aufbau von Zugspannungen im Bereich der Schutzanformungen unterbinden.
  • Darüber hinaus ist eine Variante der Vorrichtung von Vorteil, bei der der Verlauf der Wärmeeinflusszone im Bereich der Schutzanformungen umgelenkt ist. Dabei ist der Verlauf der Wärmeeinflusszone weiter bevorzugt im Bereich eines radial äußeren Endes der Schutzanformungen im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse ausgerichtet. Hierdurch wird erreicht, dass Zugspannungen, die im Bereich der Schutzanformungen wirken, zumindest nicht senkrecht und bevorzugt parallel zur Oberflächennormalen einer Oberfläche der Schweißnaht wirken, die dem aggressiven Medium unmittelbar und direkt ausgesetzt ist. Da gerade Zugspannungen die Spannungsrisskorrosion unterstützen, die senkrecht zur Oberflächennormalen wirken, wird hierdurch die Anfälligkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion weiter verringert.
  • Weiter ist eine Ausgestaltung der Vorrichtung zweckmäßig, bei der im Bereich eines radial äußeren Endes der Schutzanformungen eine Abdeckung vorgesehen ist. Mit Hilfe einer entsprechenden Abdeckung lässt sich zum Beispiel, sofern diese mit den Schutzanformungen verschweißt wird, der Verlauf der Schweißnaht und somit der Verlauf der die Schweißnaht umhüllenden Wärmeeinflusszone auf besonders einfache Weise im Bereich der Schutzanformungen umlenken.
  • Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn die Abdeckung durch Auftragsschweißen eines Schweißzusatzwerkstoffs gefertigt ist und somit letzten Endes Teil der Schweißnaht selbst ist. Auf diese Weise ist die Vorgabe eines Verlaufs der Wärmeinflusszone im Bereich der Schutzanforderungen technisch besonders einfach umzusetzen.
  • Gemäß einer weiteren Variante der Vorrichtung sind die Bauteile der Vorrichtung aus unterschiedlichen Materialien und insbesondere aus unterschiedlichen Legierungen gefertigt. Eine derartige Ausgestaltung ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die lokale Belastung der Vorrichtung über die Ausdehnung der Vorrichtung hinweg deutlich variiert und somit unterschiedliche Anforderungen an die einzelnen Bauteile der Vorrichtung gestellt werden.
  • Zweckmäßig ist zudem eine Variante der Vorrichtung, bei der bei einem definierten vorgegebenen maximalen Belastungsgrenzwert, wie beispielsweise eine maximale Zugspannung in Längsrichtung der Vorrichtung, für den die Vorrichtung ausgelegt ist, zumindest eines der Bauteile aus einem Material mit einer, im Vergleich zu Bauteilen ohne Schutzanformung, höheren Härte gefertigt ist. In weiter bevorzugter Ausgestaltung ist die Härte hierbei um 10 % bis 25 % erhöht.
  • Da die Bereiche der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone, die dem aggressiven Medium ausgesetzt sind, in einen Bereich der Vorrichtung verlagert sind, in dem geringere Zugeigenspannungen und/oder geringere von außen aufgeprägte Zugspannungen wirken, ist die Vorrichtung und insbesondere die Wärmeeinflusszone bei gleicher Materialwahl gegenüber einer Vorrichtung ohne Schutzanformungen weniger anfällig für Spannungsrisskorrosion. Die hier vorgestellte Vorrichtung ist somit im Falle einer Materialwahl, wie bisher üblich, für eine höhere Belastung ausgelegt. Alternativ dazu ist es vorgesehen, die Auslegung, also den vorgesehenen maximalen Belastungsgrenzwert, wie beispielsweise eine maximale Zugspannung in Längsrichtung der Vorrichtung, beizubehalten und die Materialwahl für die Bauteile entsprechend anzupassen. Als Auswahlkriterium eignet sich dabei zum Beispiel die Härte eines Materials, weswegen die Auswahl eines geeigneten Werkstoffs für die Bauteile unter anderem wie oben beschrieben auf der Basis des Härtewertes des Werkstoffs vorgenommen wird. Ist beispielsweise bei Ausführung einer herkömmlichen Schweißverbindung zwischen den Bauteilen ein Werkstoff für die Bauteile mit einer Vickershärte von maximal 350HV10 vorgesehen, so erlaubt die Ausführung der hier vorgestellten Schweißverbindung eine Anhebung dieses Grenzwertes auf 420HV10.
  • Je nach Anwendungsfall ist es vorgesehen, entweder auf eine gängige Wärmenachbehandlung der Vorrichtung und insbesondere der Wärmeeinflusszone zu verzichten oder aber eine Wärmenachbehandlung durchzuführen. Die Nutzung der verbesserten Schweißverbindung quasi als Ersatz für eine üblicherweise vorgenommene Wärmenachbehandlung ist vor allem zweckmäßig, wenn die Vorrichtung ansonsten, beispielsweise aufgrund ihrer Abmessungen, mit verhältnismäßig großem technischen Aufwand wärmenachbehandelt werden muss. Durch eine Kombination der verbesserten Schweißverbindung mit einer Wärmenachbehandlung lassen sich hingegen die Eigenschaften der Vorrichtung weiter verbessern. Dabei wird entsprechend einer bevorzugten Vorgehensweise eine lokale und insbesondere auf den Bereich der Schutzanformungen beschränkte Wärmenachbehandlung vorgenommen. Einer alternativen bevorzugten Vorgehensweise ist einer lokalen und insbesondere auf den Bereich der Schutzanformungen beschränkten Wärmenachbehandlung eine globale Wärmenachbehandlung überlagert.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • FIG 1
    in einer Schnittdarstellung ausschnittsweise einen Turbinenrotor mit herkömmlicher Schweißverbindung,
    FIG 2
    in einer Schnittdarstellung ausschnittsweise einen Turbinenrotor mit verbesserter Schweißverbindung und
    FIG 3
    in einer Schnittdarstellung ausschnittsweise einen Turbinenrotor mit alternativer verbesserter Schweißverbindung.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Zur Verdeutlichung der Unterschiede zwischen einer herkömmlichen Schweißverbindung und einer hier vorgestellten verbesserten Schweißverbindung sind in FIG 1 ein Turbinenrotor 2, insbesondere einer Dampf- oder Gasturbine einer Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie, mit herkömmlicher Schweißverbindung und in FIG 2 ein Turbinenrotor 2 mit verbesserter Schweißverbindung jeweils ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung abgebildet.
  • Unabhängig von der Ausführung der Schweißverbindung ist der Turbinenrotor 2 aus mehreren Rotorsegmenten 4 aufgebaut, welche entlang einer Rotationsachse 6 aneinandergereiht sind, welche eine zylinderförmige Grundgeometrie aufweisen und welche stirnseitig über zumindest eine Schweißnaht 8 stoffschlüssig miteinander verbunden, also miteinander verschweißt sind. Die Verschweißung der Rotorsegmente 4 erfolgt typischerweise mittels eines Engspaltschweißverfahrens, während dem sich im Bereich der Schweißnaht 8 in den Rotorsegmenten 4 eine Wärmeeinflusszone 10 aufgrund von Wärmeeinwirkung ausbildet, in der unter anderem die Härte des Werkstoffs, aus dem die Rotorsegmente 4 gefertigt sind, gegenüber der Härte in den Rotorsegmenten 4 außerhalb der Wärmeinflusszone 10 erhöht ist. Bei diesem Engspaltschweißverfahren erfolgt ein zusätzlicher Materialeintrag eines Schweißzusatzwerkstoffes in einen Spalt zwischen den Rohrsegmenten 4.
  • Im Falle des Turbinenrotors 2 mit herkömmlicher Schweißverbindung verläuft jene Wärmeeinflusszone 10 genau wie die Schweißnaht 8 im Wesentlichen in radialer Richtung 12 und schließt an einem sogenannten Schweißnahtaustrittspunkt 14 oder vielmehr in einem Schweißnahtaustrittsbereich mit einer Oberfläche ab, die Teil einer der Rotationsachse 6 abgewandten äußeren Oberfläche 16 des Turbinenrotors 2 ist. Diese äußere Oberfläche 16 des Turbinenrotors 2 ist im Betrieb des Turbinenrotors 2 beispielsweise Wasserdampf oder (Verbrennungs-) Gasen ausgesetzt, welche als aggressives Medium zusammen mit im Turbinenrotor 2 wirkenden Zugspannungen Spannungsrisskorrosion am Turbinenrotor 2 hervorrufen können. Besonders gefährdet ist hierbei der zur Wärmeeinflusszone 10 gehörende Teil der äußeren Oberfläche 16, da der Werkstoff in diesem Bereich neben einer erhöhten Härte auch eine höhere Sprödigkeit aufweist.
  • Mit Hilfe einer in FIG 2 dargestellten verbesserten Schweißverbindung lässt sich das Risiko für eine Spannungsrisskorrosion verringern. Hierzu weist jedes Rotorsegment 4 eine flanschartige, ringförmige Schutzanformung 18 auf, welche an der äußeren Oberfläche 16 positioniert ist und in radialer Richtung 12 absteht. Die Schweißnaht 8 und somit auch die Wärmeeinflusszone 10 sind zwischen den Schutzanformungen 18 der Rotorsegmente 4 weitergeführt, so dass auch die Schutzanformungen 18 über die Schweißnaht 8 miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird der Schweißnahtaustrittspunkt 14 bzw. der Schweißnahtaustrittsbereich in radialer Richtung 12 gesehen nach außen und somit in Richtung eines radial äußeren Endes der Schutzanformungen 18 verlagert, wo eine geringere lokale Belastung durch Zugspannungen gegeben ist. Aufgrund dieser verringerten Belastung durch Zugspannungen in genau dem Bereich, in dem die Wärmeinflusszone 10 mit dem aggressiven Medium, also dem Wasserdampf, in direktem Kontakt steht, wird die Sensitivität des Werkstoffs in diesem Bereich gegenüber Spannungsrisskorrosion und damit das Risiko für eine Spannungsrisskorrosion verringert. Da eben dieser Bereich den diesbezüglich anfälligsten Bereich des Turbinenrotors 2 darstellt, ist hierdurch die Anfälligkeit des gesamten Turbinenrotors 2 für Spannungsrisskorrosion reduziert.
  • Zur weiteren Verbesserung der Haltbarkeit der Schweißverbindung ist die Schweißnaht 8 endseitig nach Art einer Abdeckung 20 ausgeformt, wobei jene Abdeckung 20 durch Auftragsschweißen des verwendeten Schweißzusatzwerkstoffs hergestellt ist. Aufgrund dieser Gestaltung der Schweißnaht 8 im Endbereich ist der Verlauf der Wärmeeinflusszone 10 in eben diesem Bereich umgelenkt und die Oberflächennormale der Oberfläche der Wärmeeinflusszone 10, die Teil der äußeren Oberfläche 16 ist, ist parallel zur Rotationsachse 6. Da insbesondere Zugspannungen in Bezug auf Spannungsrisskorrosion kritisch sind, die senkrecht zur Oberflächennormalen wirken, und da aufgrund der Umlenkung des Verlaufs der Wärmeeinflusszone 10 die lokale Belastung mit derart gerichteten Zugspannungen weiter reduziert ist, ist letzten Endes die Anfälligkeit des Turbinenrotors 2 gegenüber Spannungsrisskorrosion weiter verringert.
  • Eine alternative Ausgestaltung des Turbinenrotors 2 ist in FIG 3 abgebildet. Hier weist eine jede Schutzanformung 18 zusätzlich eine vorzugsweise ringförmig umlaufende Entlastungskerbe 22 auf, die an einem radial inneren Ende der Schutzanformung 18 platziert ist. Die Anordnung der Entlastungskerben 22 erfolgt dabei zwischen den Grundkörpern der Rotorsegmente 4 und dem Schweißnahtaustrittspunkt 14 bzw. dem Schweißnahtaustrittsbereich, wodurch die lokale Belastung durch Zugspannungen im Bereich des Schweißnahtaustrittspunkts 14 bzw. des Schweißnahtaustrittsbereichs zusätzlich reduziert wird, insbesondere wenn die Zugspannungen im Turbinenrotor 2 durch eine äußere Krafteinwirkung hervorgerufen wird, deren Angriffspunkt nicht im Bereich der Schutzanformungen 18 liegt.
  • Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

  1. Vorrichtung (2),
    insbesondere aus mehreren Rotorsegmenten (4) zusammengesetzter Turbinenrotor (2),
    aufgebaut aus zumindest zwei entlang einer Rotationsachse (6) aneinandergereihten und miteinander über zumindest eine Schweißnaht (8) verbundenen Bauteilen (4),
    wobei jedes Bauteil (4) eine in radialer Richtung (12) abstehende Schutzanformung (18) aufweist und wobei die Schweißnaht (8) sowie eine die Schweißnaht (8) umhüllende Wärmeeinflusszone (10) zwischen den Schutzanformungen (18) weitergeführt sind, so dass die Schutzanformungen (18) der Bauteile (4) miteinander verbunden sind.
  2. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1,
    wobei die Schutzanformungen (18) flanschartig ausgestaltet sind.
  3. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei zumindest eine Schutzanformung (18) eine Einbuchtung (22) im Bereich eines radial inneren Endes der Schutzanformung (18) aufweist.
  4. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Verlauf der Wärmeeinflusszone (10) im Bereich der Schutzanformungen (18) umgelenkt ist.
  5. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Verlauf der Wärmeeinflusszone (10) im Bereich eines radial äußeren Endes der Schutzanformungen (18) im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse (6) ausgerichtet ist.
  6. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im Bereich eines radial äußeren Endes der Schutzanformungen (18) eine Abdeckung (20) vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung (2) nach Anspruch 6,
    wobei die Abdeckung (20) durch Auftragsschweißen eines Schweißzusatzwerkstoffs gefertigt ist.
  8. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bauteile (4) aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind.
  9. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei bei einem definierten vorgegebenen maximalen Belastungsgrenzwert zumindest eines der Bauteile (4) aus einem Material mit einer, im Vergleich zu Bauteilen (4) ohne Schutzanformung (18), höheren Härte gefertigt ist.
  10. Vorrichtung (2) nach Anspruch 9,
    wobei die Härte um 10% bis 25% erhöht ist.
EP12152424.3A 2012-01-25 2012-01-25 Geschweisster Turbinenrotor Withdrawn EP2620589A1 (de)

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