ES2283856T3 - Arbol de turbina asi como fabricacion de un arbol de turbina. - Google Patents
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Abstract
Un árbol de turbina (2, 8) alineado en una dirección axial (19), con una primera zona de circulación (5, 13) y una segunda zona de circulación (6, 14), que está adyacente a la primera zona de circulación en la dirección axial, en el que el árbol de turbina (2, 8) presenta en la primera zona de circulación (5, 13) un primer material y presenta en la segunda zona de circulación (6, 14) un segundo material, en el que el primer material comprende un acero resistente al calor y el segundo material comprende un acero tenaz a bajas temperaturas, y en el que el segundo material comprende un acero 3, 5 NiCrMoV, caracterizado porque el primer material comprende un acero 2 CrMoNiWV.
Description
Árbol de turbina así como fabricación de un
árbol de turbina.
La invención se refiere a un árbol de turbina
que está alineado en una dirección axial para una turbina de vapor
con una primera zona de circulación y con una segunda zona de
circulación adyacente a la primera zona de circulación en la
dirección axial, en el que el árbol de la turbina presenta en la
primera zona de circulación un primer material y presenta en la
segunda zona de circulación un segundo material. La invención se
refiere de la misma manera a un procedimiento para la fabricación de
un árbol de turbina alineado en una dirección axial y que comprende
dos materiales.
Los árboles de turbinas se emplean, en general,
en máquinas de circulación. Como ejemplo para una máquina de
circulación se puede considerar una turbina de vapor. Para el
incremento del rendimiento se configuran turbinas de vapor, por
decirlo así como turbinas de vapor combinadas. Tales turbinas de
vapor presentan una zona de afluencia de la circulación y dos o más
zonas de circulación configuradas con paletas de circulación y
paletas de guía. Un medio de circulación circula sobre la zona de
afluencia de la circulación hacia una primera zona de circulación y
a continuación hacia otra zona de circulación. Como ejemplo de un
medio de circulación se puede contemplar aquí vapor.
Por ejemplo, se conduce vapor a temperaturas de
más de 400ºC a la zona de afluencia de la circulación y llega desde
allí hacia la primera zona de circulación. En este caso, en la
primera zona de circulación se cargan térmicamente diferentes
componentes, especialmente el árbol de la turbina. Después de la
primera zona de circulación, el vapor circula hacia la segunda zona
de circulación. En la segunda zona de circulación, el vapor
presenta, en general, temperaturas más bajas y presiones más
reducidas. En esta zona, el árbol de la turbina debería presentar
propiedades tenaces a bajas temperaturas. Para combinar entre sí las
dos propiedades necesarias del árbol de turbinas, se conocen hasta
ahora diferentes soluciones. Una solución prevé combinar entre sí
la propiedad de resistencia al calor y la propiedad tenaz a bajas
temperaturas del árbol de turbina. En este caso, se emplea un
llamado árbol monobloque, que combina las dos propiedades necesarias
con ciertas limitaciones. No obstante, aquí se establecen
compromisos, que pueden conducir a limitaciones para la construcción
y el funcionamiento de la turbina de vapor.
Se conoce, además, soldar árboles de turbinas.
En los materiales conocidos hasta ahora y en los requerimientos
planteados allí debe aplicarse una soldadura tampón sobre un
material, que debe recocerse a una temperatura determinada. Después
del recocido de la soldadura tampón en un primer material se lleva a
cabo la conexión de las dos partes del árbol de las turbinas de un
primer material y de un segundo material a través de una soldadura
de la construcción con un tratamiento de revenido final a una
temperatura, que es menor que la temperatura que reina durante el
recocido de la soldadura tampón. Como material para la primera zona
del árbol de la turbina, que debe mostrar propiedades resistentes
al calor, se ha empleado hasta ahora CrMoV al 1%. Para la segunda
zona del árbol de la turbina, que debe mostrar propiedades tenaces a
bajas temperaturas, se ha empleado hasta ahora NiCrMoV al 3,5%.
En el documento EP 0 964 135 A2 se publica un
motor de turbina de vapor, que está constituido por diferentes
materiales y que está unido por soldadura. El rotor está dividido en
una zona de alta temperatura y una zona de baja temperatura.
En el Artículo "Fortschritte bei warmfesten
und hochwarmfesten Stählen", Stahl und Eisen, Vol.106, Nº 13, 30
de Junio de 1986, páginas 733-738, XP 002278825 se
publican rotores de turbinas y mazos de tubos de intercambio de
calor de aceros resistentes al calor y resistentes a altas
temperaturas.
El procedimiento para la fabricación de tales
árboles de turbinas es costoso y complicado.
El cometido de la presente invención es indicar
un árbol de turbina, que presenta propiedades tenaces a bajas
temperaturas y resistentes al calor. Otro cometido de la invención
es indicar un procedimiento para la fabricación del árbol de
turbina.
El cometido referido al árbol de turbina se
soluciona a través de los rasgos característicos de la
reivindicación 1.
Las configuraciones ventajosas se representan en
las reivindicaciones dependientes.
El cometido referido al procedimiento se
describe a través de los rasgos característicos de la reivindicación
6.
La invención parte del reconocimiento de que a
través de una selección adecuada del material y del tratamiento
térmico adaptado, se puede prescindir de una soldadura tampón
adicional y de un recocido intermedio adicional.
Se puede ver una ventaja, entre otras, en que se
puede fabricar un árbol de turbina más rápidamente y, por lo tanto,
con un coste más favorable.
A continuación se explican en detalle ejemplos
de realización de la invención con la ayuda de dibujos. Las partes
correspondientes entre sí se proveen en todas las figuras con los
mismos signos de referencia. En ellas se muestran de forma
esquemática y no a escala lo siguiente:
La figura 1 muestra una imagen en sección a
través de un árbol de turbina unitario en el material y que
pertenece al estado de la técnica.
La figura 2 muestra una imagen en sección a
través de un árbol de turbina que está constituido por dos
materiales y que pertenece al estado de la técnica.
La figura 3 muestra una imagen en sección a
través de un árbol de una turbina.
La figura 4 muestra una imagen en sección a
través de un árbol de una turbina.
En las figuras 1, 2, 3 y 4 muy amplificadas,
solamente se representan aquellas partes que son importantes para
la comprensión del modo de funcionamiento de la invención.
En una turbina de vapor combinada de presión
media y de baja presión no representada circula vapor fresco en una
primera sección parcial a lo largo de un árbol de turbina, se
expande allí y se refrigera al mismo tiempo. En esta primera
sección parcial se plantean, por lo tanto, requerimientos de
propiedades de resistencia al calor al material del árbol de la
turbia. La temperatura del vapor fresco puede llegar hasta 565ºC.
El vapor fresco refrigerado y expandido circula en una segunda
sección parcial, en la que son necesarias propiedades tenaces a
bajas temperaturas del árbol de la turbina.
El árbol de turbina 1 representado en la figura
1 se conoce como árbol monobloque y presenta el material 23
CrMoNiWV 8-7 y está alineado en una dirección axial
19. Este árbol de turbina 1 pertenece al estado de la técnica.
Este árbol de turbina 1 se emplea habitualmente
para turbinas de vapor combinadas con una superficie de salida de
la corriente entre 10 y 12,5 m^{2} en un tipo de construcción de
flujo inverso a 50 Hz. En el tipo de construcción de flujo inverso
se gira una dirección de la circulación después de circular a través
de la parte de presión media 13 en dirección esencialmente opuesta
y a continuación circula a través de la parte de baja presión 14.
El material 23 CrMoNiWV 8-8 comprende entre 0,20 -
0,24% en peso de C, \leq 0,20% en peso de Si, 0,60 - 0,80% en peso
de Mn, \leq 0,010% en peso de P, \leq 0,007% en peso de S, 2,05
- 2,20% en peso de Cr, 0,80 - 0,90% en peso de Mo, 0,70 - 0,80% en
peso de Ni, 0,25 - 0,35% en peso de V y 0,60 - 0,70% en peso de W.
Las propiedades necesarias con respecto a la resistencia térmica y a
la tenacidad a bajas temperaturas se han combinado hasta ahora con
ciertas limitaciones a través del empleo del árbol de turbina 1
descrito en la figura 1. Este árbol de turbina 1 choca con el
material indicado 23 CrMoNiWV 8-8 en un límite de
resistencia y de tenacidad en la parte de baja temperatura 14 con
diámetros grandes, cuando se plantean requerimientos, para una zona
marginal 18, a la resistencia estática por encima de R_{p} 0,2
> 650 MPa.
El árbol de turbina 7 representado en la figura
2 pertenece al estado de la técnica y presenta una parte de presión
media 13, que está expuesta a altas temperaturas. El árbol de
turbina 7 presenta de la misma manea una parte de baja presión 14,
que está menos cargada térmicamente que la parte de presión media 13
y está alineada en una dirección axial. A tal fin, la parte de
presión media 14 está más solicitada mecánicamente que la parte de
presión media 13. En general, la parte de presión media 13 y la
parte de baja presión 14 están constituidas por diferentes
materiales. La parte de presión media 13 está constituida por CrMoV
al 1% (30 CrMoNiV 5-11) y la parte de baja presión
está constituida por el material 3,5 NiCrMoV (26 NiCrMoV
14-5). El material 30 CrMoNiV 5-11
comprende 0,27 - 0,34% en peso de C, \leq 0,15% en peso de Si,
0,30 - 0,80% en peso de Mn, \leq 0,010% en peso de P, \leq
0,007% en peso de S, 1,10 - 1,40% en peso de Cr, 1,0 - 1,20% en
peso de Mo, 0,50 - 0,75% en peso de Ni y 0,25 - 0,35% en peso de V.
Esencialmente, el primer material está constituido por un material
resistente al calor y el segundo material está constituido por un
material tenaz a bajas temperaturas.
La parte de presión media 13 debe poseer
propiedades resistentes al calor y la parte de baja presión 14 debe
poseer propiedades tenaces a bajas temperaturas. El árbol de turbina
7 presenta una soldadura tampón 9, que se aplica en primer lugar
sobre la parte de presión media 13 y se refrigera a una temperatura
T1. A continuación se conectan entre sí la parte de presión media
13 y la parte de baja presión 14 con una costura de soldadura.
Después de este proceso de soldadura se recuece a una temperatura
T2. La causa para las diferentes temperaturas T1 y T2 es la
diferente composición química y la configuración de la textura de
los materiales y la diferentes estabilidad de revenido: T1 > T2
que resulta de ello. Deben evitarse las alturas durezas en las
zonas de influencia del calor y las tensiones propias a través de
temperaturas de revenido lo más altas posible, sin influir
negativamente en la resistencia de los árboles individuales ya
fabricados y verificados.
En la figura 3 se puede ver un árbol de turbina
2 de acuerdo con la invención en el tipo de construcción de flujo
inverso. El árbol de turbina 2 presenta una sección de presión media
5 configurada como primera zona de circulación 5 y una sección de
baja presión 6 configurada como segunda zona de circulación. La
sección de baja presión 6 está conectada con la sección de presión
media 5 por medio de una soldadura de construcción 4. La soldadura
de la parte de presión media 5 y de la parte de baja presión 6, que
presentan dos materiales diferentes, se lleva a cabo sin soldadura
tampón adicional y, por lo tanto, también sin un recocido intermedio
adicional a tal fin. La parte de presión media 5 comprende hasta la
penúltima fase de baja presión el material 2 CrMoNiWV (23 CrMoNiWV
8-8) y la parte de baja presión con la última fase
de baja presión está constituida por el material 3,5 NiCrMoV (26
NiCrMoV 14-5). El material 23 CrMoNiWV
8-8 comprende 0,20 - 0,24% en peso de C, \leq
0,20% en peso de Si, 0,60 - 0,80% en peso de Mn, \leq 0,010% en
peso de P, \leq0,007% en peso de S, 2,05 - 2,20% en peso de Cr,
0,80 - 0,90% en peso de Mo, 0,70 - 0,80% en peso de Ni, 0,25 -
0,35% en peso de V y 0,60 - 0,70% en peso de W y el material 26
NiCrMoV 14-5 comprende 0,22 - 0,32% en peso de C,
\leq 0,15% en peso de Si, 0,15 - 0,40% en peso de Mn, \leq
0,010% en peso de P, \leq 0,007% en peso de S, 1,20 - 1,80% en
peso de Cr, 0,25 - 0,45% en peso de Mo, 3,40 - 4,00% en peso de Ni,
0,05 - 0,15% en peso de V.
La soldadura se realiza como soldadura de
construcción, siendo alimentada a la soldadura de construcción un
material de aportación de soldadura. El material de aportación de
soldadura debería comprender, por ejemplo 2% de níquel.
Después de la soldadura, el árbol soldado
debería revenirse a una temperatura entre 600ºC y 640ºC durante un
tiempo suficientemente largo entre 2 y 20 segundos.
La ventaja del material 3,5 NiCrMoV reside
especialmente en que presenta sin problemas una resistencia
estática de hasta Rp 0,2 > 760 MPa. A través del revenido a las
temperaturas mencionadas anteriormente apenas se ejerce ninguna
influencia sobre la resistencia de la costura de soldadura. Las
tensiones propias y las durezas en la zona de influencia del calor
se reducen, de manera que se puede evitar el peligro de corrosión
por tensión a través de medios húmedos. La dureza de Vickers está en
HV < 360. De esta manera se obtiene un árbol soldado, que posee
en la parte delantera la resistencia térmica necesaria, pero en la
parte trasera puede cumplir el alto requerimiento de resistencia y
de tenacidad a través de las fuerzas centrífugas grandes de las
palas. La unión solamente debe soldarse una vez y recocerse una
vez.
El árbol de turbina 8 representado en la figura
4 muestra un árbol de turbina 8 alineado en dirección axial 19 para
el empleo en el tipo de construcción de flujo recto. El árbol de
turbina 8 presenta una parte de presión media 13 configurada como
primera zona de circulación (13) y una parte de baja presión 14
configurada como segunda zona de circulación (14). La parte de
presión media 13 y la parte de baja presión 14 se conectan a través
de una costura de soldadura de construcción 15. La ventaja de esta
forma de realización para el tipo de construcción de flujo recto
frente a la forma de realización representada en la figura 2
consiste especialmente en que a través de la sustitución del acero
1 CrMoV revenido estable por el acero 2 CrMoNiWV con resistencias
térmicas comparables, pero con estabilidad de revenido más reducida
se puede reducir a través de los parámetros de revenido
seleccionados las durezas en las zonas de influencia del calor del 2
CrMoNiWV y 3,5 NiCrMoV y las tensiones propias hasta los niveles
necesarios. También aquí se obtiene un árbol de turbina 8 soldado,
que posee en la parte de presión media 13 la resistencia térmica
necesaria y en la parte de baja presión 14 cumple los altos
requerimientos de resistencia y de tenacidad necesarias.
Se obtienen otras ventajas porque el árbol de
turbina solamente debe soldarse una vez y debe revenirse una vez.
De esta manera se reducen los tiempos de ejecución en la
fabricación. La posibilidad de realización de otras soluciones
constructivas con altos requerimientos de resistencia y tenacidad en
la parte de baja presión 14 y alta resistencia térmica en la parte
de presión media 13 se puede aplicar para nuevas series de
construcción de turbinas de vapor.
Claims (10)
1. Un árbol de turbina (2, 8) alineado en una
dirección axial (19), con una primera zona de circulación (5, 13) y
una segunda zona de circulación (6, 14), que está adyacente a la
primera zona de circulación en la dirección axial, en el que el
árbol de turbina (2, 8) presenta en la primera zona de circulación
(5, 13) un primer material y presenta en la segunda zona de
circulación (6, 14) un segundo material, en el que el primer
material comprende un acero resistente al calor y el segundo
material comprende un acero tenaz a bajas temperaturas, y en el que
el segundo material comprende un acero 3,5 NiCrMoV,
caracterizado porque el primer material comprende un acero 2
CrMoNiWV.
2. Árbol de turbina (2, 8) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque el primer material
presenta entre 0,20 - 0,24% en peso de C, \leq 0,20% en peso de
Si, 0,60 - 0,80% en peso de Mn, \leq 0,010% en peso de P, \leq
0,007% en peso de S, 2,05 - 2,20% en peso de Cr, 0,80 - 0,90% en
peso de Mo, 0,70 - 0,80% en peso de Ni, 0,25 - 0,35% en peso de V y
0,60 - 0,70% en peso de W y el segundo material presenta 0,22 -
0,32% en peso de C, \leq 0,15% en peso de Si, 0,15 - 0,40% en peso
de Mn, \leq 0,010% en peso de P, \leq 0,007% en peso de S, 1,20
- 1,80% en peso de Cr, 0,25 - 0,45% en peso de Mo, 3,40 - 4,00% en
peso de Ni, 0,05 - 0,15% en peso de V.
3. Árbol de turbina (2, 8) de acuerdo con una de
las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque entre el
primer material y el segundo material está dispuesta una costura de
soldadura de construcción (4).
4. Árbol de turbina (2, 8) de acuerdo con una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
costura de soldadura de construcción (4) presenta un material de
aportación de soldadura.
5. Árbol de turbina (2, 8) de acuerdo con la
reivindicación 4, caracterizado porque el material de
aportación de soldadura presente 2% en peso de níquel.
6. Procedimiento para la fabricación de un árbol
de turbina (2, 8) alineado en una dirección axial (19) y que
comprende dos materiales, en el que el primero y el segundo material
se conectan directamente entre sí por medio de una soldadura de
construcción (4), y en el que para el segundo material se utiliza un
acero 3,5 NiCrMoV, caracterizado porque para el primer
material se utiliza un acero 2 CrMoNiWV.
7. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 6, caracterizado porque para el primer
material se utiliza entre 0,20 - 0,24% en peso de C, \leq 0,20%
en peso de Si, 0,60 - 0,80% en peso de Mn, \leq 0,010% en peso de
P, \leq 0,007% en peso de S, 2,05 - 2,20% en peso de Cr, 0,80 -
0,90% en peso de Mo, 0,70 - 0,80% en peso de Ni, 0,25 - 0,35% en
peso de V y 0,60 - 0,70% en peso de W y para el segundo material se
utiliza 0,22 - 0,32% en peso de C, \leq 0,15% en peso de Si, 0,15
- 0,40% en peso de Mn, \leq 0,010% en peso de P, \leq 0,007% en
peso de S, 1,20 - 1,80% en peso de Cr, 0,25 - 0,45% en peso de Mo,
3,40 - 4,00% en peso de Ni, 0,05 - 0,15% en peso de V.
8. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque se alimenta un
material de aportación de soldadura a la soldadura de construcción
(4).
9. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 8, caracterizado porque como material de
aportación de soldadura se utiliza un material, que presenta 2% en
peso de níquel.
10. Utilización del árbol de turbina (4) de
acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9 en una turbina de
vapor.
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