NO317411B1 - Fremgangsmate ved fremstilling av en bimetall-skovl for en rotasjonsmaskin og anvendelse av fremgangsmaten - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av en bimetall-skovl for en rorasjonsmaskin, og særlig en dampturbinskovl beregnet for lavtrykkstrinnet i dampturbinen.

Dessuten angår oppfinnelsen en anvendelse av fremgangsmåten.

Rotasjonsmaskiner slik som dampturbiner har profilerte skovler montert på faste eller roterende deler i rotasjonsmaskinen som kommer i kontakt med et fluid som strømmer gjennom rotasjonsmaskinen med meget høy hastighet når rotasjonsmaskinen arbeider.

Skovlene i rotasjonsmaskiner har en fremre kant som vender mot strømmen av fluidet som treffer skovlene i rotasjonsmaskinen og en bakre kant mot det bakre av skovlen med hensyn til strømningsretningen til fluidet.

I noen tilfeller blir skovlen i rotasjonsmaskinen sterkt erodert av fluidet som strømmer i nærheten av den fremre kanten.

Særlig i dampturbiner utsettes skovlene i det siste trinnet eller trinnene i turbinen, dvs. lavtrykkstrinnet, for sterk erosjon i nærheten av den fremre kanten, fordi dampen der har et høyt fuktighetsinnhold og fører med seg små vanndråper som treffer den fremre kanten på skovlen. Kontakten mellom vanndråpene og den fremre kanten på bladet bevirker et erosjonsfenomen som medfører tap av metall fra skovlen i et parti nær den fremre kanten. Etter at dampturbiner har arbeidet i en viss tid kan det oppstå mangel på balanse i rotorenheten pga. usymmetrisk slitasje på skovlene til rotoren i lavtrykkstrinnene i turbinene. Denne ubalansen bevirker vibrasjoner som fører til spenninger i rotoren som kan bli farlige og forårsake at rotoren brister.

Dersom slike vibrasjoner observeres er det vesentlig å stanse turbinen, og dermed installasjonen som omfatter turbinen.

Meget store tap under drift kan bli resultatet av dette i store installasjoner slik som kjernefysiske eller termiske kraftstasjoner.

Rotorskovlene som er skadet må repareres eller skiftes ut, og dette kan være en lang-varig og kostbar operasjon.

For å begrense erosjon på de fremre kanter av skovlene i rotasjonmaskiner, og særlig på turbinskovler, har det vært foreslått å påføre et slitasjehindrende belegg på et parti av den ytre delen av skovlen nær den fremre kanten og langs en del av lengden av den fremre kanten, med hensyn til den radiale retningen i rotasjonsmaskinen.

Et slikt belegg, som må virke effektivt ved høy temperatur på skovlen når det er maskinert til sin endelige tilstand, kan nedsette de mekaniske egenskaper til metallet som danner skovlen eller føre til deformasjon av skovlen pga. termiske spenninger som opptrer under belegning ved høy temperatur.

Det har derfor vært foreslått, særlig i US-A-5 351 395, å beskytte en turbinskovl mot slitasje i nærheten av den fremre kanten ved i området ved den fremre kanten, og ved sveising til skovlelementet, å feste en innsatsdel laget av et hardt materiale som er motstandsdyktig mot slitasje eller av et materiale som herdes ved en varmebehandling som er forskjellig fra materialet som danner skovlelementet. Den forsterkende innsatsdelen på skovlen festes til skovlelementet, som kan være presisjonsstøpt. Innsatsdelen, som festes til en del av skovlelementet beregnet for dette formål, har en grov utformning, og må maskineres til formen og profilen til turbinskovlen i nærheten av den fremre kanten.

Etter sveising av den forsterkende innsatsdelen til det støpte emnet for turbinskovlelementet maskineres det støpte skovlelementet, og innsatsdelen maskineres til korrekt form. Til slutt utføres herdende varmebehandling for oppnåelse av den hardhet og slitestyrke som kjennetegner innsatsdelen.

Det støpte emnet for skovlelementet har imidlertid en form som ligger nær den endelige formen til skovlen, og særlig en vridd og buet form. Innsatsdelen må ha en profil som sikrer kontinuitet med skovlelementet i området nær den fremre kanten. På grunn av den kompliserte formen til skovlelementet kan det være meget vanskelig å utforme og fremstille innsatsdelen, hvilket har en ikke ubetydelig virkning på omkostningene til bimetall-skovler som fremstilles med den ovenfor angitte fremgangsmåte.

Formålet med oppfinnelsen er derfor å komme frem til en fremgangsmåte for fremstilling av en bimetall-skovl som omfatter et element laget av et første metallmateriate og en innsatsdel laget av et andre metallmateriale som har høy slitestyrke, og av hvilket i det minste en del av en fremre kant på skovlen fremstilles, idet fremgangsmåten muliggjør at bimetall-skovlen kan fremstilles på en enkel måte og med lave omkostninger.

Med det angitte formål

- maskineres en innføringsutsparing i en metallblokk, laget av det første metallmaterialet, - et element som er laget av det andre materialet fremstilles og fastgjøres i utsparingen for å danne en kompositt bimetallblokk, og - rotoren maskineres av den kompositte blokken, idet skovlelementet maskineres av metall blokken laget av det første materialet og innsatsdelen maskineres av elementet laget av det andre materialet.

Elementet laget av det andre materialet kan prefabrikkeres og deretter sveises inn i utsparingen.

Elementet laget av det andre materialet kan i stedet fremstilles ved avsetning og størkning av et smeltet metall i utsparingen.

Metallblokken laget av det første materialet og det metalliske elementet laget av det andre materialet har fortrinnsvis en hovedsakelig parallellepipedisk form.

I henhold til oppfinnelsen anvendes fremgangsmåten for fremstilling av en skovl for en rotasjonsmaskin, slik som en gassturbin, en dampturbin, en kompressor eller en pumpe.

For å forklare oppfinnelsen skal det i det følgende ved hjelp av eksempler og med henvisning til de vedføyde tegninger beskrives en bimetall-turbinskovl og fremstillingen av denne ved bruk av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 1 viser i perspektiv en bimetall-dampturbinskovl.

Fig. 2 er et oppriss av en kompositt metallblokk for fremstilling av en bimetall-turbinskovl ved bruk av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 3 er en planprojeksjon av blokken vist i fig. 2.

Fig. 4 er et oppriss av en bimetall-skovl fremstilt ved bruk av fremgangsmåten i

henhold til oppfinnelsen, i ferdig tilstand.

Fig. 5 er en planprojeksjon av turbinskovlen i den ferdige tilstand vist i fig. 4.

Fig. 1 viser en dampturbinskovl 1, som fortrinnsvis er en skovl i lavtrykkstrinnet i turbinen.

Skovlen 1 har en rot 2 som har en profil som muliggjør at turbinskovlen 1 kan fastgjøres til en lavtrykksrotor i dampturbinen, og et blad 3 festet til roten 2 og generelt i ett med roten 2, og som har en komplisert, buet og vridd form.

Bladpartiet 3 av skovlen 1 har en fremre kant 4 og en bakre kant 5, og bladpartiet 3 av skovlen 3 har en minimal tykkelse. Mellom den fremre kanten 4 og den bakre kanten 5 har tverrsnittet til bladpartiet 3 av skovlen en avsmalnende form.

Turbinskovlen 1 vist i fig. 1 er en bimetallskovl som omfatter en innsatsdel 6 som danner et parti av bladpartiet 3 av skovlen 1 nær den fremre kanten 4 og som forløper radialt i det ytre partiet av skovlen 1 i en viss lengde langs den fremre kanten.

Bimetallskovlen 1 omfatter et element i et stykke, omfattende roten 2 og bladpartiet 3, med unntak av en utsparing som innsatsdelen 6 er innført i, samt innsatsdelen innført i utsparingen og fastgjort til skovlelementet 1.

Skovlelementet 1 er fremstilt av et materiale som passer til bruken i lavtrykkstrinnet i en dampturbin, f.eks. rustfritt stål som inneholder 13% krom.

Innsatsdelen 6 er laget av et hardt materiale som er motstandsdyktig mot slitasje, slik som en koboltbasert legering som inneholder krom og wolfram, f.eks. stellitt av klasse 6 eller 12.

I henhold til oppfinnelsen kan en bimetall-turbinskovl som vist i fig. 1 fremstilles på en forholdsvis enkel måte og med moderate omkostninger ved bruk av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 2 og 3 viser en bimetall-kompositt metallblokk 7 som en bimetallskovl slik som vist i fig. 1 kan maskineres av.

Bimetallblokken 7 har en generelt parallellepipedisk form.

Med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, for å fremstille bimetallblokken 7, er det første trinnet å maskinere en parallellepipedisk blokk 8 laget av et første metallmateriale som er et standard materiale for fremstilling av dampturbinskovler. Utgangsblokken 8 kan være laget av stål som inneholder f.eks. 13% krom, og kan smis av et støpt produkt slik som en barre. Blokken 8 kan også skjæres ut av et halvferdig produkt, slik som en stav med rektangulært tverrsnitt. Blokken 8 maskineres for å danne en parallellepipedisk utsparing 9 som opptar et hjørne av tverrsnittet til blokken 8 og forløper i en retning langs høyden til blokken 8 i en lengde som hovedsakelig tilsvarer lengden av innsatsen 6 som skal dannes langs den fremre kanten av bimetall-turbinskovlen som fremstilles.

Et parallellepipedisk element 10 utskjæres deretter av en stav med kvadratisk tverrsnitt og av slitesterkt materiale, slik som stellitt 6 eller 12. Høyden er hovedsakelig lik høyden til utsparingen 9 i blokken 8, og tverrsnittet har mindre dimensjoner enn tverrsnittet til utsparingen 9. Mere generelt kan elementet 10 dannes ved tilskjæring av et produkt med konstant profil og med hvilken som helst tverrsnittsform.

Elementet 10 kan også dannes ved støping eller ved smiing av en blokk med passende dimensjoner.

Det prepabrikerte elementet 10 dannet av det slitesterke materialet innføres i det indre hjørnet i utsparingen 9 for å fylle hele høyden av utsparingen 9. Klemmer som holder blokken 8 og elementet 10 holdes i kontakt i montert stilling, slik som vist i fig. 2 og 3.

Enheten bestående av blokken 8 og det prefabrikerte elementet 10 anbrakt i utsparingen 9 oppvarmes til en temperatur f.eks. i området 550°C til 780°C, ved bruk av en oksygen/acetylen skjærebrenner.

Det prefabrikerte elementet 10 og blokken 8 sveises sammen ved bruk av et tilsatsmateriale eller loddes sammen ved at temperaturen tii delene som skal sammenføyes holdes i temperaturområdet fra 550°C til 780°C.

Bimetallblokken 7 dannet på denne måten avkjøles i luft.

Den sveisede eller loddede sammenføyningen som er dannet kontrolleres med inntrengning av fluorescerende farvestoff. Sveisen repareres om nødvendig. Bimetallenheten utsettes deretter for en kvalitets-varmebehandling (som modifiserer egenskapene til materialet) for å oppheve spenningene som skyldes sveising på den fastgjorte del.

Turbinskovlen maskineres deretter av bimetallblokken 7.

Konturen til bimetallskovlen 1 som er maskineri av bimetallblokken 7 er vist med strekpunktlinjer i fig. 2 og 3.

Bimetall-skovlelementet 1, omfattende roten 2 og bladpartiet 3 av skovlen, med unntak av innsatsdelen, maskineres av metallblokken 8 laget av stål som inneholder 13% krom.

Innsatsdelen 6 som befinner seg langs den fremre kanten 4 på skovlen maskineres av det fastgjorte elementet 10 laget av slitesterk legering.

Turbinskovlen 1 maskineres av bimetallblokken 7 på den samme måten som en standard metallskovl av ett enkelt metall maskineres av en homogen blokk.

Strekpunktlinjene som viser konturene til skovlen 1 i fig. 2 og 3 viser de maskinerte flater på skovlen i henholdsvis et langsgående plan og i et tverrgående plan.

Metallblokken 8 og det fastgjorte elementet 10 har naturligvis dimensjoner som er optimalisert i forhold til dimensjonene til de forskjellige deler av bimetallskovlen som skal fremstilles, for å begrense volumene av materialer som må fjernes ved maskinering av bimetallblokken. Tverrsnittet til metallblokken 8 tilsvarer hovedsakelig tverrsnittet til roten av skovlen som skal fremstilles.

Maskineringen av bimetallblokken omfatter en første maskineringsoperasjon for å danne emnet for bladpartiet 3 og en andre, siste maskineringsoperasjon på bladpartiet 3. Emnet for roten 2 maskineres deretter, og roten overflatemaskineres, f.eks. ved bruk av en slipeoperasjon.

Som vist i fig. 4 og 5 omfatter den ferdige skovlen 1 et element som består av roten 2 og et bladparti 3, laget av rustfritt stål som inneholder 13% krom, og et fastgjort stellittelement 6 som er sveiset til skovlelementet 1.

Det fastgjorte elementet 6 er anordnet i et parti av skovlelementet 1 nær den fremre kanten 4, og en del av dette er maskinert i det fastgjorte elementet 6 og resten er maskinert i skovlelementet 1.

Det fastgjorte elementet 6 som danner en del av den fremre kanten dekker fortrinnsvis omtrent 2/3 av den fremre kanten 4 på skovlen 1.

Bimetallskovlen 1 som helhet har fullkommen kohesjon, og de buede flater som avgrenser bladpartiet, omfattende innsatsdelen 6, er fullkomment kontinuerlige, fordi de er maskinert i bimetalldelen på liknende måte som de buede flater som avgrenser bladpartiet av en skovl av ett enkelt metall maskinert av en del av homogen sammensetning.

Metallblokken og det fastgjorte elementet av bimetalldelen som har en enkel geometrisk form kan også enkelt dannes ved støping, smiing eller av halvferdige produkter som har den nødvendige form og det nødvendige tverrsnitt.

Det fastgjorte elementet laget av det andre materialet kan fremstilles ved avsetning og størkning av et smeltet metall i utsparingen i metallblokken laget av det første materialet. Metallet kan avsettes med hvilken som helst belegnings- eller sveiseprosess som inne-bærer smelting av et tilsatsmateriale, slik som TIG-prosessen eller pulverpåsprutings-prosessen.

I alle tilfeller, og f.eks. etter maskinering av turbinskovlen, er det mulig å utføre en kvalitets-varmebehandling for å oppheve spenningene og å kontrollere dimensjonene til den maskinerte turbinskovlen.

Metallblokken som består av det første materialet, det fastgjorte element og utsparingen for innføring av dette elementet i metallblokken kan således ha andre fasonger enn parallellepipedisk.

I alle tilfeller har imidlertid metallblokken, det fastgjorte elementet og utsparingen en enkel geometrisk form, generelt som et rett prisme, for å forenkle forming eller fremstilling av disse elementer og sammenføyning av bimetallblokken.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er derfor vesentlig forskjellig fra en fremgangsmåte der et fastgjort element festes til et turbinskovlemne med komplisert form. Når det gjelder oppfinnelsen oppnås den kompliserte formen til bladet direkte ved maskinering av bimetallskovlen ved bruk av en fremgangsmåte for maskinering som likner maskinering av en turbinskovl av en del med homogen sammensetning.

Det første materialet som danner turbinskovlelementet og det andre materialet som danner innsatsdelen som forsterker den fremre kanten på skovlen kan være andre materialer enn de som er antydet ovenfor som eksempler.

For eksempel kan skovlelementet være laget av eldingsherdet rustfritt stål eller en ikke-ferrolegering, slik som en titanlegering.

Det fastgjorte, forsterkende elementet kan være laget av rustfritt stål som er utskillings-herdet og/eller som inneholder herdende legeringselementer. Mere generelt kan benyttes ethvert materiale av metalltypen som har høy motstandsevne mot slitasje, f.eks. materialer med herdesubstanser dispergert i en metallisk grunnmasse.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en bimetall-skovl for en rotasjonsmaskin, og som omfatter et element laget av et første metallmateriale og en innsatsdel (6) laget av et andre metallmateriale som har høy motstandsevne mot slitasje, av hvilket i det minste et parti av en fremre kant (4) på skovlen (1) er dannet, karakterisert ved at - en innføringsutsparing (9) maskineres i en metallblokk (8) som er laget av det første metailmaterialet, - at et element (10) som er laget av det andre materialet fremstilles og fastgjøres i utsparingen (9) for å danne en kompositt bimetallblokk (7), og - at turbinskovlen (1) maskineres av den kompositte blokken (7), idet skovlelementet maskineres i metallblokken (8) laget av det første materialet og innsatsdelen (6) maskineres av elementet (10) laget av det andre materialet.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, ved hvilken elementet (10) laget av det andre materialet prefabrikeres og deretter sveises inn i utsparingen (9).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, ved hvilken elementet'(10) laget av det andre materialet fastgjøres i utsparingen (9) i metallblokken (8) laget av det første metallmaterialet ved sveising med et tilsatsmetall eller ved lodding.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 2 eller 3, ved hvilken metallblokken (8) laget av det første materialet og elementet (10) laget av det andre materialet forvarmes før sveising av elementet (10) laget av det andre materialet i utsparingen (9) i metallblokken laget av det første materialet.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, ved hvilken metallblokken (8) og elementet (10) forvarmes og sveises ved en temperatur i området 550°C til 780°C.

6. Fremgangsmåte som angitt i hvilket som helst av kravene 2-5, ved hvilken det prefabrikerte elementet (10) laget av det andre materialet dannes ved tilskjæring av et produkt med konstant profil, slik som en stav.

7. Fremgangsmåte for fremstilling i henhold til hvilket som helst av kravene 2 - 6, ved hvilken, etter sveising av elementet (10) laget av det andre materialet i utsparingen (9) i metallblokken (8) laget av det første materialet, inspiseres et sveiseområde mellom elementet (10) laget av det andre materialet og metallblokken (8) laget av det første materialet ved inntrengning av fargestoff, og sveisen repareres om nødvendig.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, ved hvilken elementet (10) laget av det andre materialet fremstilles ved avsetning og størkning av et smeltet metall i utsparingen (9).

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, ved hvilken metallblokken (8) laget av det første metallmaterialet, elementet (10) laget av det andre metallmaterialet og utsparingen for innføring av elementet (10) har en hovedsakelig parallellepipedisk form.

10. Fremgangsmåte som angitt i hvilket som helst av kravene 1-9, ved hvilken metallblokken (8) laget av det første metallmaterialet smis.

11. Fremgangsmåte som angitt i hvilket som helst av kravene 1-10, ved hvilken det første metallmaterialet er rustfritt stål og det andre metallmaterialet er en slitesterk koboltlegering som inneholder krom og wolfram.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, ved hvilken det første materialet er rustfritt stål som inneholder 13% krom og det andre materialet er stel litt av klasse 6 eller 12.

13. Fremgangsmåte som angitt i hvilket som helst av kravene 1 - 12, ved hvilken, etter maskinering av turbinskovlen (1) av den kompositte blokken (7), utføres en kvalitets-varmebehandling for å oppheve spenninger, og dimensjonene til den maskinerte turbinskovlen (1) kontrolleres.

14. Anvendelse av en fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1-13 for å fremstille en skovl for en rotasjonsmaskin, slik som en gassturbin, en dampturbin, en kompressor eller en pumpe.