ES2219857T3 - Procedimiento de fabricacion de un alabe de turbina bimetalico y utilizacion del mismo. - Google Patents

Abstract

SE MECANIZA, EN UN BLOQUE METALICO (8) DE FORMA GEOMETRICA SENCILLA CONSTITUIDO POR UN PRIMER MATERIAL METALICO, UNA CAVIDAD (9) DE RECEPCION DE FORMA GEOMETRICA SIMPLE. SE REALIZA Y SE FIJA EN LA CAVIDAD (9) UN ELEMENTO (10) CONSTITUIDO POR EL SEGUNDO MATERIAL PARA OBTENER UN BLOQUE METALICO COMPUESTO Y SE MECANIZA EL ALABE DE TURBINA (19) EN EL BLOQUE COMPUESTO, SIENDO EL CUERPO DEL ALABE MECANIZADO EN EL BLOQUE METALICO CONSTITUIDO POR EL PRIMER MATERIAL Y LA PIEZA DE INSERCION (6) EN EL ELEMENTO DE FORMA SIMPLE CONSTITUIDO POR EL SEGUNDO MATERIAL. EL ELEMENTO (10) CONSTITUIDO POR EL SEGUNDO MATERIAL PUEDE SER PREFABRICADO Y FIJADO POR SOLDADURA EN LA CAVIDAD (9) O REALIZADO POR DEPOSITO Y SOLIDIFICACION DE UN METAL FUNDIDO EN LA CAVIDAD (9). LA INVENCION SE PUEDE APLICAR EN PARTICULAR A LA FABRICACION DE UN ALABE DE UNA ETAPA DE BAJA PRESION DE UNA TURBINA DE VAPOR.

Description

Procedimiento de fabricación de un álabe de turbina bimetálico y utilización del mismo.

La invención se refiere a un procedimiento de fabricación de un álabe bimetálico de turbina y, en particular, de un álabe para una turbina de vapor destinado a la etapa de baja presión de la turbina de vapor.

Las máquinas rotativas, tales como las turbinas de vapor, incorporan álabes perfilados montados en partes fijas o móviles en rotación de las máquinas rotativas, que entran en contacto con un fluido que atraviesa la máquina rotativa a muy gran velocidad, durante el funcionamiento de dicha máquina rotativa.

Los álabes de las máquinas rotativas tienen un borde de ataque dirigido hacia el flujo del fluido incidente sobre el álabe de la máquina rotativa y un borde de fuga dispuesto hacia la parte posterior del álabe, considerando el sentido de circulación del fluido.

En ciertos casos, el álabe de la máquina rotativa está sometido, en las proximidades de su borde de ataque, a una fuerte erosión por parte del fluido en circulación.

En particular, en las turbinas de vapor, los álabes de la o las últimas etapas de la turbina, o de las etapas de baja presión, están sometidos a una fuerte erosión, en las proximidades de su borde de ataque, debido a que el vapor presenta entonces una fuerte humedad y transporta gotitas de agua que vienen a chocar sobre el borde de ataque del álabe. El contacto de las gotitas de agua con el borde de ataque del álabe produce un fenómeno de erosión que se traduce en una pérdida de metal del álabe en una parte próxima a su borde de ataque. Como consecuencia del desgaste disimétrico de los álabes de rotor de las etapas de baja presión de las turbinas a vapor, se puede observar, al cabo de cierto tiempo de funcionamiento de las turbinas, un desequilibrio del conjunto del rotor. Este desequilibrio tiene por efecto favorecer el nacimiento de vibraciones que dan lugar a solicitaciones repetidas en el rotor que pueden resultar peligrosas y conducir a la rotura del rotor.

Cuando se observa tales vibraciones, se está obligado a parar la turbina, y en consecuencia, la instalación que incorpora dicha turbina.

En el caso de grandes instalaciones, tales como centrales nucleares o térmicas, esto puede dar lugar a fuertes pérdidas de explotación.

Por otra parte, es necesario efectuar una reparación o una sustitución de los álabes de rotor que hayan sido deteriorados, lo que puede ser una operación larga y costosa.

Para limitar la erosión de los bordes de ataque de los álabes de máquinas giratorias, y en particular de los álabes de turbinas, se ha propuesto realizar un revestimiento antidesgaste en una parte del álabe próxima a su borde de ataque, y en una fracción de la longitud de su borde de ataque, en la parte externa del álabe, en la dirección radial de la máquina rotativa.

Un revestimiento o recarga de este tipo, que se debe efectuar a alta temperatura en el álabe fabricado en estado acabado, puede traer consigo una degradación de las propiedades mecánicas del metal que constituye el álabe o ciertas deformaciones del álabe debidas a las tensiones térmicas experimentadas durante el revestimiento a alta temperatura.

Se ha propuesto, pues en particular en el documento US-A-5,351,395, realizar el refuerzo contra el desgaste de un álabe de turbina en las proximidades de su borde de ataque poniendo en la zona del borde de ataque y fijando por soldadura en el cuerpo del álabe un injerto de un material duro resistente al desgaste o de un material con un endurecimiento por tratamiento térmico diferente del material constitutivo del cuerpo del álabe de turbina. El injerto de refuerzo del álabe se fija al cuerpo del álabe que puede ser obtenido por moldeo de precisión. El injerto que se coloca y fija en una parte del cuerpo del álabe prevista a tal efecto, presenta una forma bruta y debe ser mecanizado para alcanzar la forma y el perfil del álabe de turbina en las proximidades de su borde de ataque.

Después de la soldadura del injerto o pieza inserta en la pieza en bruto moldeada del cuerpo de turbina, se realiza el mecanizado de acabado del pieza en bruto moldeado del cuerpo del álabe y el mecanizado de conformación del injerto. Se efectúa finalmente un tratamiento térmico de endurecimiento que permite desarrollar las características de dureza y resistencia al desgaste del injerto.

Sin embargo, la pieza en bruto del cuerpo del álabe presenta una forma próxima a la forma definitiva del álabe y en particular una forma torcida y curvada. El injerto debe presentar un perfil que permita garantizar una continuidad con el cuerpo del álabe en su zona próxima al borde de ataque. Debido a la forma compleja del cuerpo del álabe, el diseño y la realización del injerto pueden ser extremadamente delicados, lo que tiene una influencia no despreciable en el costo de los álabes bimetálicos de turbina realizados por este procedimiento.

El objeto de la invención es por tanto proponer un procedimiento de fabricación de un álabe bimetálico de turbina que comprende un cuerpo de un primer material metálico y un injerto de un segundo material metálico de fuerte resistencia al desgaste, en el cual se realiza una parte al menos de un borde de ataque del álabe, permitiendo este procedimiento fabricar el álabe bimetálico de turbina de manera sencilla y a un costo moderado.

Con este objeto:

- se mecaniza en un bloque metálico de forma geométrica simple constituido del primer material metálico, una cavidad de recepción de forma geométrica simple,

- se realiza y se fija en la cavidad un elemento de forma geométrica simple constituido del segundo material, para obtener un bloque metálico compuesto, y

- se mecaniza el álabe de turbina en el bloque compuesto, siendo mecanizado el cuerpo del álabe en el bloque metálico constituido del primer material y el injerto en el elemento constituido del segundo material.

El elemento constituido por el segundo material puede ser prefabricado, y después fijado por soldadura en la cavidad.

El elemento constituido por el segundo material puede ser realizado también por depósito y solidificación de un metal fundido en la cavidad.

Preferentemente, el bloque metálico constituido del primer material y el elemento metálico constituido del segundo material presentan una forma sensiblemente paralelepipédica.

A fin de hacer comprender bien la invención, se va a describir a continuación, a título de ejemplo, haciendo referencia a las figuras que se añaden como anexo, un álabe bimetálico de turbina de vapor y su realización por el procedimiento de la invención.

La figura 1 es una vista en perspectiva de un álabe bimetálico de turbina de vapor.

La figura 2 es una vista en alzado de un bloque metálico compuesto para la realización de un álabe bimetálico de turbina por el procedimiento de la invención.

La figura 3 es una vista desde arriba del bloque representado en la figura 2.

La figura 4 es una vista en alzado de un álabe bimetálico realizado por el procedimiento correspondiente a la invención, en estado acabado.

La figura 5 es una vista desde arriba del álabe de turbina en estado acabado representado en la figura 4.

En la figura 1, se ha representado un álabe de turbina de vapor que puede ser preferentemente un álabe de la etapa de baja presión de la turbina, designado en forma general por la referencia 1.

El álabe 1 comprende un pie 2 que tiene una forma perfilada que permite la fijación del álabe de turbina 1 en un rotor de baja presión de la turbina de vapor, así como una aleta 3, solidaria del pie 2 y generalmente enteriza con el pie 2, que presenta una forma compleja, curva, doblada y torcida.

La parte de aleta 3 del álabe 1 tiene un borde de ataque 4 y un borde de fuga 5, al nivel de los cuales la parte de aleta 3 del álabe 1 presenta un espesor mínimo. Entre el borde de ataque 4 y el borde de fuga 5, las secciones transversales de la parte de aleta 3 del álabe presentan una forma de huso alargado.

El álabe de turbina 1 representado en la figura 1 es un álabe bimetálico que incorpora un injerto 6 que constituye una parte de aleta 3 del álabe 1 en las proximidades de su borde de ataque 4, que se extiende, en la parte externa del álabe, en la dirección radial, a lo largo de una cierta longitud del borde de ataque.

El álabe bimetálico 1 está constituido por un cuerpo monobloque que comprende el pie 2 y la parte de aleta 3 con la excepción de un vaciado en el cual se aloja el injerto 6, así como el injerto alojado en el vaciado y solidario con el cuerpo de álabe 1.

El cuerpo del álabe 1 está realizado en un material apropiado a su utilización en la etapa de baja presión de una turbina de vapor y, por ejemplo, en un acero inoxidable con 13% de cromo.

El injerto 6 es de un material duro resistente al desgaste, tal como una aleación a base de cobalto que incluye cromo y tungsteno, por ejemplo una estelita de calidad 6 o de calidad 12.

Según la invención, un álabe bimetálico de turbina tal como se representa en la figura 1 se puede realizar de manera relativamente simple y a un costo moderado por el procedimiento de la invención.

En las figuras 2 y 3 se ha representado un bloque metálico compuesto designado en forma general por la referencia 7, en el que se puede mecanizar un álabe bimetálico tal como el representado en la figura 1.

El bloque bimetálico 7 presenta una forma general paralelepipédica.

Según el procedimiento de la invención, para realizar el bloque bimetálico 7, se realiza en un primer tiempo el mecanizado de un bloque paralelepipédico 8 en un primer material metálico que es un material habitual para la fabricación de álabes de turbina de vapor. El bloque de partida 8 puede estar constituido, por ejemplo, de un acero con 13% de cromo y puede obtenerse por forjado de un producto fundido, tal como un lingote. El bloque 8 podría ser cortado igualmente de un semiproducto, tal como una barra de sección rectangular. Se mecaniza el bloque 8 para realizar una cavidad de forma paralelepipédica 9 que ocupa un ángulo de la sección transversal del bloque 8 y se extiende siguiendo la altura del bloque 8, a lo largo de una longitud que corresponde sensiblemente a la longitud del injerto 6 a realizar siguiendo el borde de ataque del álabe bimetálico de turbina que se fabrica.

A continuación, se corta, en una barra de sección cuadrada de un material resistente al desgaste, tal como una estelita 6 ó 12, un elemento 10 de forma paralelepipédica cuya altura es sensiblemente igual a la altura de la cavidad 9 del bloque 8 y cuya sección presenta dimensiones inferiores a la sección transversal de la cavidad 9. Más generalmente, el elemento 10 puede ser obtenido por corte de un producto perfilado que tenga una sección de forma cualquiera.

Igualmente, se podría elaborar el elemento 10 por moldeo o por forja de un bloque de dimensiones deseadas.

El elemento prefabricado 10 de material resistente al desgaste se coloca en el ángulo interior de la cavidad 9, de manera que ocupe toda la altura de la cavidad 9. El bloque 8 y el elemento 10 se mantienen en contacto en su posición de ensamblaje, tal como se representa en las figuras 2 y 3, mediante pinzas.

Se realiza el precalentamiento al soplete oxiacetilénico del conjunto constituido por el bloque 8 y el elemento prefabricado 10 colocado en la cavidad 9, por ejemplo entre 550ºC y 780ºC.

Se realiza el ensamblaje del elemento prefabricado 10 y del bloque 8 por soldadura con metal de aportación o soldadura al latón manteniendo la temperatura de las piezas a unir en el intervalo de temperaturas de 550ºC a 780ºC.

Se deja enfriar al aire libre el bloque bimetálico 7 obtenido.

Se realiza a continuación un control de la soldadura de unión obtenida por aportación de latón, mediante un procedimiento de control por exudado del tipo fluorescente. De ser necesario, se efectúan reparaciones de la soldadura.

Se somete el conjunto bimetálico a un tratamiento térmico de calidad (que modifica las características del material), de eliminación de tensiones o de relajación de las tensiones debidas a la soldadura de la pieza colocada.

Se realiza a continuación el mecanizado completo del álabe de turbina en el bloque bimetálico 7.

En las figuras 2 y 3 se ha representado en línea de trazos discontinuos el contorno del álabe bimetálico 1 cuyo mecanizado se realiza a partir del bloque bimetálico 7.

El cuerpo del álabe bimetálico 1 que comprende el pie 2 y la parte de aleta 3 del álabe, con excepción del injerto, se mecaniza en el bloque metálico 8 de acero con 13% de cromo.

El injerto 6, dispuesto siguiendo el borde de ataque 4 del álabe, se mecaniza en el elemento colocado 10 de aleación resistente al desgaste.

El mecanizado del álabe de turbina 1 en el bloque bimetálico 7 se realiza de la misma manera que el mecanizado de un álabe metálico clásico monometálico, en un bloque homogéneo.

Las líneas de trazos y puntos que representan los contornos del álabe 1 en las figuras 2 y 3 constituyen las trazas de las superficies de mecanizado del álabe en un plano longitudinal y en un plano transversal, respectivamente.

Se ha de entender que el bloque metálico 8 y el elemento colocado 10 tienen dimensiones optimizadas con respecto a las dimensiones de las diferentes partes del álabe bimetálico a realizar, de manera que se limiten los volúmenes de materia a eliminar al proceder al mecanizado del bloque bimetálico. La sección recta del bloque metálico 8 corresponde sensiblemente a la sección del pie del álabe a realizar.

El mecanizado del bloque bimetálico incluye un primer mecanizado para realizar el desbaste de la parte de aleta 3 y un segundo mecanizado de acabado de la parte que constituye la aleta 3. Se realiza igualmente el mecanizado del desbaste del pie 2 y a continuación el acabado del pie 2 por una operación, por ejemplo, de rectificación.

Como es visible en las figuras 4 y 5, el álabe 1 en estado acabado incorpora un cuerpo constituido a su vez por el pie 2 y una parte de aleta 3, de acero inoxidable con 13% de cromo y un elemento colocado 6, fijado por soldadura en el cuerpo del álabe 1 de estelita.

El elemento incorporado 6 está dispuesto en una parte del cuerpo del álabe 1 próxima al borde de ataque 4 que se mecaniza en parte en el elemento incorporado 6, y en su parte restante, en el cuerpo del álabe 1.

Preferentemente, el elemento incorporado 6, que constituye una parte del borde de ataque, cubre aproximadamente dos tercios del borde de ataque 4 del álabe 1.

El álabe bimetálico 1, en su conjunto, presenta una perfecta cohesión y las superficies curvas que delimitan la parte de aleta que comporta el injerto 6 son perfectamente continuas, debido a que han sido mecanizadas en la pieza bimetálica de una manera análoga a las superficies curvas que delimitan la parte de aleta de un álabe monometálico mecanizado en una pieza de composición homogénea.

Además, el bloque metálico y el elemento incorporado de la pieza bimetálica de forma geométrica simple pueden ser obtenidos fácilmente por moldeo, forja, o a partir de semiproductos de forma y de sección deseadas.

El elemento incorporado constituido del segundo material puede ser realizado por deposición y solidificación de un metal fundido en la cavidad del bloque metálico constituido del primer material. La deposición de metal puede ser realizada por cualquier procedimiento de recarga o de soldadura con fusión de un metal de aportación, tal como el procedimiento TIG o incluso por proyección de polvo.

En todos los casos se puede realizar, por ejemplo después del mecanizado del álabe de turbina, un tratamiento térmico de calidad, de eliminación de tensiones o de relajamiento de las tensiones y un control dimensional del álabe de turbina mecanizado.

La invención no se limita al modo de realización que se ha descrito.

Por ello, el bloque metálico constituido del primer material, el elemento incorporado y la cavidad de recepción de este elemento en el bloque metálico pueden presentar formas diferentes de una forma paralelepipédica.

Sin embargo, en todos los casos, el bloque metálico, el elemento incorporado y la cavidad deben presentar una forma geométrica simple, y generalmente prismática recta, de manera que faciliten la conformación o la obtención de estos elementos y el ensamblaje del bloque bimetálico.

El procedimiento según la invención es por tanto absolutamente diferente de un procedimiento en el que se fija un elemento colocado en un desbaste de un álabe de turbina, de forma compleja. En el caso de la invención, la forma compleja del álabe se obtiene directamente por mecanizado del álabe bimetálico, mediante un método de mecanizado análogo al mecanizado de un álabe de turbina en una pieza de composición homogénea.

El primer material que constituye el cuerpo de álabe de turbina y el segundo material que constituye el injerto de refuerzo del borde de ataque del álabe pueden ser diferentes de los materiales arriba indicados a título de ejemplo.

Por ejemplo, el cuerpo del álabe puede realizarse de un acero inoxidable con endurecimiento por envejecimiento o incluso en una aleación no ferrosa, tal como una aleación de titanio.

El elemento de refuerzo incorporado puede ser de acero inoxidable con endurecimiento por precipitación y/o que contenga elementos de aleación endurecedores. De manera general, se puede utilizar cualquier material de tipo metálico que presente una fuerte resistencia al desgaste, por ejemplo materiales que incorporen una matriz metálica en la que se han dispersado compuestos endurecedores.

La invención se aplica no sólo a la fabricación de álabes para turbina de vapor, sino incluso a la fabricación de álabes para cualquier máquina rotativa, tal como turbinas de gas, compresores o bombas.

Claims (14)

1. Procedimiento de fabricación de un álabe bimetálico de turbina que consiste en un cuerpo de un primer material metálico y un injerto (6) de un segundo material metálico de fuerte resistencia al desgaste, en el cual se realiza una parte al menos de un borde de ataque (4) del álabe (1) caracterizado por el hecho de:

- que se mecaniza en un bloque metálico (8) de forma geométrica simple constituido del primer material metálico, una cavidad (9) de recepción de forma geométrica simple,

- que se realiza y se fija en la cavidad (9) un elemento (10) de forma geométrica simple constituido del segundo material, para obtener un bloque metálico compuesto (7), y

- que se mecaniza el álabe de turbina (1) en el bloque compuesto (7), siendo mecanizado el cuerpo del álabe en el bloque metálico (8) constituido del primer material y el injerto (6) en el elemento (10) de forma simple constituido del segundo material.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el elemento (10), constituido del segundo material, es prefabricado y a continuación fijado por soldadura en la cavidad (9).

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que se fija el elemento (10) de forma geométrica simple constituido del segundo material en la cavidad (9) del bloque metálico (8) constituido del primer material metálico por una operación de soldadura con metal de aportación o de soldadura al latón.

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado por el hecho de que, previamente a la fijación por soldadura del elemento (10) de forma geométrica simple constituido del segundo material en la cavidad (9) del bloque metálico constituido del primer material, se precalienta el bloque metálico (8) constituido del primer material y el elemento (10) constituido del segundo material.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el precalentamiento y la soldadura del bloque metálico (8) y el elemento (10) se realizan a una temperatura comprendida entre 550ºC y 780ºC.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado por el hecho de que el elemento prefabricado (10) de forma geométrica simple constituido del segundo material se obtiene por corte de un producto perfilado, tal como una barra.

7. Procedimiento de fabricación según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado por el hecho de que se realiza, después de la soldadura del elemento (10) constituido del segundo material en la cavidad (9) del bloque metálico (8) constituido del primer material, el control por exudado de una zona de soldadura entre el elemento (10) constituido del segundo material y el bloque metálico (8) constituido del primer material y que se efectúa eventualmente una reparación de la soldadura.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el elemento (10) constituido del segundo material se realiza por deposición y solidificación de un metal fundido en la cavidad (9).

9. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el bloque metálico (8) constituido del primer material metálico, el elemento (10) de forma simple constituido del segundo material metálico y la cavidad de recepción del elemento (10) presentan una forma sensiblemente paralelepipédica.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que el bloque metálico (8) constituido del primer material metálico se realiza por forja.

11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por el hecho de que el primer material metálico es un acero inoxidable y el segundo material metálico una aleación de cobalto resistente al desgaste que incluye cromo y tungsteno.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el primer material es un acero inoxidable con 13% de cromo y el segundo material una estelita de calidad 6 ó 12.

13.Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por el hecho de que, después del mecanizado del álabe de turbina (1) en el bloque compuesto (7), se realiza un tratamiento térmico de calidad, de eliminación o relajación de las tensiones y un control dimensional del álabe de turbina (1) mecanizado.

14. Utilización de un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, para la fabricación de un álabe de una etapa de baja presión de una turbina de vapor.