SE448953B - Forfarande for framstellning av en turbinrotor innefattande en rotorskiva med cirkuler ytterperiferi och med i ett stycke dermed utformade skovelblad samt sadan turbinrotor - Google Patents

Description

448 953 från spårets botten och inåt i skivan. En nit införes därefter i resp. borrhål för att förhindra gasläckage, men läckage genom själva spåren sker fortfarande. Förutom oönskat läckage, utgör de spänningsavlastande spåren och tillhörande nitar en väsent- lig del av kostnaden för en turbinrotor och är av den anledningen icke önskvärda.

Ansträngningar har gjorts för att förbättra och utveckla metoder för att smida navet eller skivpartiet till rotorn och bearbeta bladen från ett förstorat kantparti av smidesstycket, eller för att smida hela den med blad utformade skivan enligt t.ex. Gatorizing - smidesförfarandet enligt US 4 051 708.

Det är önskvärt att förhindra sprickbildning i kanten på dessa smidda rotorskivor p.g.a. värmegradienter, men det är också önsk* värt att minimera gasläckaget och kostnaderna i samband med kända förfaranden för att förhindra dylik sprickbildning.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är att eliminera sprickbildning p.g.a. lågcyklisk utmattning i kanten på en skiva med i ett stycke därmed utformade blad.

Ett annat uppfinningssyfte är att medge spänningsavlastning i kanten på en skiva med i ett stycke därmed utformade blad utan att åstadkomma en läckagebana genom skivan.

Enligt en aspekt på uppfinningen innefattar ett förfarande för att utforma en rotorskiva med i ett stycke därmed utformade blad, att ett flertal periferiellt åtskilda spår utformas i för- formen, varvid spåren har en botten och respektive spår sträcker sig radiellt från ytterkanten till botten samt axiellt genom för- formens hela tjocklek; och att rotorbladen formas av förformen och rotorskivan smides av förformen, varvid spåren tillslutes fullständigt från spårbotten till ytterkanten genom smidningen till bildande av smidesfogar längs respektive spårs radiella ut- sträckning utan att spårytorna bindes samman och varvid smides- fogarna är lokaliserade periferiellt mellan intill varandra lig- gande rotorblad.

Trots att de är tillslutna genom smidning, medger spåren fortfarande önskad spänningsavlastning vid kanten på den färdiga *I rotorskivan genom att eliminera ringspänningarna. För att för- hindra sammanbindning av spårytorna vid tillslutningen, kan de beläggas med en oxid eller oxideras genom lämplig värmebehandling såvida de inte redan har ett oxidytskikt. p: Företrädesvis är resp. spår i förformen utformat med en radie i botten därav för att undvika spänningsstigare. Spåret kan till- 448 953 slutas genom smidning kring en stav med cirkelformat tvärsnitt och anordnad i spårets botten för att tillse att botten på det tillslutna spåret bibehåller en rund form, även om en sådan säkerhetsåtgärd kanske ej erfordras.

Enligt ett föredraget uppfinningsutförande, är radiella spår utformade i kanten på en plattformad smidesförform med mate- rial i kanten till bildande av blad. Den spårförsedda förformen värmebehandlas i en flamugn för oxidering av spårytorna. Förformen placeras i en smidespress med lämpliga sänken, varvid skivan smides och spåren tillslutes genom smidningen samtidigt som bla- den formas i skivans kant mellan de tillslutna spåren enligt Gatorizing - smidesförfarandet enligt US 3 519 503 och 4 051 708.

Föreliggande uppfinning är ett billigt sätt att åstadkomma spänningsavlastning i kanten på en smidesturbinskiva med i ett stycke därmed utformade blad utan bildande av en läckagebana ge- nom skivan.

Turbinrotorn enligt uppfinningen karaktäriseras härvid av en smidd rotorskiva med en runtomgående cirkulär ytterkant och ett flertal periferiellt åtskilda skovelblad som sträcker sig radiellt utåt från och i ett stycke med nämnda ytterkant, var- vid rotorskivan innefattar ett flertal periferiellt åtskilda, genom fullständig tillslutning av spår i skivan från spårens bot- ten till ytterkanten bildade smidesfogar, vilka respektive sträcker sig inåt längs en radiell linje från skivans ytterkant med ett avstånd som är mindre än skivans radiella tjocklek samt axiellt genom skivans hela tjocklek, och varvid respektive fog är lokaliserad mellan ett par intill varandra liggande rotorblad där fogytorna står i ett kontakt- men obundet förhållande.

Föregående och övriga syften skall nedan närmare beskrivas med hänvisning till bigogad ritning, på vilken figur l är en smidesförform med däri formade spår enligt uppfinningen; figur 2 är en vy, delvis i snitt, längs linjen 2-2 i figur l; figur 3 visar en rotorskiva med i ett stycke därmed utfor- made blad som framställts ur förformen enligt figur l i enlig- het med uppfinningen; och figur 4 visar en del av en rotorskiva med i ett stycke där- med utformade blad enligt ett alternativt uppfinningsutförande.

Emedan flera tekniker är tidigare kända för framställning av rotorskivor med i ett stycke'därmed utformade blad, är före- 448 955 liggande uppfinning avsedd att utnyttjas i samband med dylika rotorer, varvid åtminstone rotorns skivparti har smidits.

I texten nedan betyder "smidesförform" eller "förform" ett råämne eller annan artikel som måste genomgå minst ett ytterlig- gare smidessteg för bildande av den färdiga produkten. Uttrycket "plattformade" förform avser en förform med i huvudsak cirkel- eller ringformat tvärsnitt och vars ytterdiameter är större än dess tjocklek. Tjockleken behöver inte vara konstant.

Enligt uppfinningen och såsom framgår av figur l och 2, uppvisar en plattformad smidesförform 10 ett flertal spår l2, som sträcker sig från kanten 14 mot förformens mitt. Spåren är periferiellt anordnade runt förformens lO kant 14 och sträcker sig genom förformens hela tjocklek. De är sä lokaliserade, att resp. spår hamnar mellan ett par intill varandra liggande blad i den färdiga rotorn.

Spåren kan utformas på vilket som helst känt sätt, t.ex. medelst en slipskiva. Ifall själva förformen är smidd, kan spå- ren formas under smidningen av förformen med hjälp av lämpliga sänken. För att undvika spänningshöjare är botten l6 på varje spår 12 utformad med en radie enligt figur 1.

Spåren 12 är fullständigt tillslutna genom ett efterföljande smidesförfarande. Enär syftena med föreliggande uppfinning skulle gå förlorade ifall spårens l2 ytor 18 bands eller svetsades sam- man genom nämnda smidning, är det nödvändigt att vidta åtgärder för att tillse att så ej sker. Företrädesvis appliceras eller formas ett oxidskikt motsvarande stopparmaterialen (stop-offs) vid hårdlödning (se Metal Handbook, 8th Edition, Volume 6, "Wel- ding and Brazing“, pp. 602-603, American Society for Metals, Ohio (1971)) på spårens 12 ytor 18. Detta kan åstadkommas genom en passande värmebehandling eller genom att helt enkelt belägga spàrsidorna med ett passande stopparmaterial (t.ex. bornitrid).

Om t.ex. förformen är gjord av en nickelbaserad varmhållfast legering, exempelvis bearbetad IN 100 e.l., kan oxiden formas genom att värma upp förformen i en flamugn till en temperatur över ca. 538°C under minst 30 minuter. Ifall spåren smides i för- formen då denna utformas, kommer ett oxidskikt att bildas på ytorna 18 under smidningen och förformen behöver ej en separat oxidbearbetning.

Den spårförsedda förformen placeras därefter i en smides- press för att ytterligare forma densamma till en rotorskiva 19 och fullständigt tillsluta spåren 12 till bildande av smides- 5. 448 955' fogar 20 (Se figur 3) vid resp. spår. Dessa fogar kan vara svåra att upptäcka med blotta ögat. Bladen 22 kan, men behöver inte smi- das samtidigt med att spåren tillslutes. Exempelvis kan ett ytter- ligare smidessteg utnyttjas för att ytterligare forma skivan och utforma bladen; eller kan efter spårens tillslutning, bladen ut- formas (t.ex. genom elektrokemisk eller elektrisk urladdningsbe- arbetning) ur materialet i kanten på den smidda skivan.

Den primära orsaken till LCF-sprickbildning är den branta radiella temperaturgradienten över skivan, vilket resulterar i höga ringspänningar. Spåren (smidesfogar) avlastar dessa spän- ningar genom att bryta ringen. Ringen återbildas vid smidesfogar- nas botten 24, men ringspänningarna är väsentligt mindre p.g.a. den mindre temperaturgradienten från bottnarna 24 till skivans mitt. Spårens 18 som utformats i förformen 10 längd är vald för att tillse att i den färdiga rotorn blir spänningarna så låga att risk för LCF-sprickbildning vid smidesfogarnas 20 bottnar 24 ej föreligger. Spårens minimilängd kan inledningsvis bestäm- mas genom teoretisk analys, men vissa tester kan slutligen er- fordras. Smidesfogarnas 20 längd kommer naturligtvis alltid att vara mindre än skivans 19 radiella tjocklek T.

Ifall LCF-sprickbildning fortfarande är ett problem vid smi- desfogarnas 20 botten 24 p.g.a. alstring av spänningsstigare, kan spåren tillslutas genom smidning kring en stav med cirkulärt tvär- snitt och anordnad längs spårets botten för att tillse att en passande stor radie upprätthålles vid spårbottnen efter tillslut- ningen. Termen "stav" innefattar trådar såväl som nitar e.l..

Stavarna kan vara av samma material som förformen eller av en me- tall med en expansionskoefficient motsvarande förformmaterialets.

Figur 4 visar ett parti av en skiva 25 med i ett stycke där- med utformade blad enligt uppfinningen, där de spänningsavlastande spåren tillslutits genom smidning kring en stav 26 (visad med ett tvärsnitt) som anordnats utmed spårens botten. Såsom framgår av figuren, har staven 26, trots sammanpressning till en något ellip- tisk form, bibehållit en radie vid det tillslutna spårets botten.

Det är särskilt lämpligt att utnyttja förfarandet enligt upp- finningen i samband med ovannämnda Gatorizing - smidesprocess.

Antingen kan ett cylindriskt råämne av lämplig storlek eller ett råämne som arrangerats mellan plana plattor eller sänken (för att förforma detsamma) användas som en smidesförform. Såsom beskrivits i US 3 519 503 måste förformen eller råämnet av vilket förformen framställes, ha bearbetats under tryck, t.ex. genom strängbesprut- 6. 448 955 ning eller på annat sätt, under förhållanden som medför att ett superplastiskt beteende utvecklas vid spänningshastigheten och temperaturen för den följande isotermiska smidesoperationen, utan att legeringen utsättes för betydande korntillväxt under smid- ningen. Efter smidningen kan legeringen återföras till ett normalt tillstånd med hög hållfasthet och hårdhet genom konventionell värmebearbetning. Gatorizing - processen är användbar för alla utskiljningshärdade legeringar med hög hållfasthet, t.ex. av titan, nickel, kobolt och järn.

För att utnyttja Gatorizing(D-processen i samband med upp- finningen, utformas ett lämpligt antal periferiellt åtskilda spår av passande radiell längd (t.ex. med en karbidslipskiva) genom tjockleken(šš en lämpligt utformad förform som bearbetats enligt Gatorizing - förfarandet. Spåren är så lokaliserade att de slut- ligen centreras mellan bladen på den färdiga rotorn. Ifall för- formen exempelvis är framställd av NI 100, en nickelbaserad varm- hâllfast legering, skall spårens insidor beläggas med bornitrid.

Den belagda förformen placeras i en Gatorizing - smidespress av typ enligt t.ex. US 4 074 559. Det superplastiska materialet nära förformens kant tvingas in i ett flertal periferiellt anord- nade bladbildande sänken, och samtidigt tillslutes spåren genom smidning medan skivan formas till i huvudsak slutlig form. Där- efter avlägsnas skivan med de i ett stycke därmed utformade bla- den från sänket, och den legering av vilken skivan är gjord åter- ställs till sitt normala tillstånd med hög hållfasthet och hård- het genom konventionell värmebehandling.

I ett test hade en plattformad förform en ytterdiameter på ca. l20,9nm och en tjocklek på ca. 1l,7nm. Ehuru utan betydelse för föreliggande uppfinning, hade förformen inget centralt hål utan snarare en i ett stycke därmed utformad axel av ca. 31,8 nm längd och 22,2nm i diameter utskjutande från dess ena sida. För- formen bildades genom smidning av ett cylindriskt råämne aren bearbetad, utskiljningshärdbar nickelbaserad legering(AD2-UM ned hjälp av Gatorizing - smidesförfarandet vid en temperatur på l12L¶J35OC och en spänningshastighet från inledningsvis 0,5 cnkmVmin.och upphörande vid0,lcnycwmfin.Tio periferiellt åtskilda spår utformades därefter genom förformstjockleken, varvid resp. spår var 13,20nm långt och]J,8nm brett och med en radie i botten på resp. spår. Den spårförsedda förformen uppvärmdes i luft vid 9s2°c under en timme till bildande av ett exiaskikt på ene expone- rade ytor. Stavar av liknande materialsan förformen ümnxned lànæ vär- .f gl

Claims (11)

7. 448 953 mehållfasthet) och en diameter i huvudsak lika med spårens bredd placerades i botten på resp. spår. Den spårförsedda förformen genomgick därefter ännu ett Gatorizing - smidesförfarande till slutlig form med 30.ca. 10,2 mm långa blad. Temperaturen under Gatorizing - förfarandet var densamma som tidigare, men spän- ningshastigheten hölls vid 0,1 cm/cm/min. Spåren tillslöts full- ständigt genom smidningen under bladformningssteget; och den slutliga rotordiametern och -tjockleken (exklusive blad) förblev i huvudsak densamma som för den spårförsedda förfcrmen. Den fär- diga delen likade den bladförsedda rotorn enligt figur 4. Delen utformades att arbeta vid en kanttemperatur på 87l°C och en mittemperatur på 3l6°C, (d.v.s. 555°C1A T från kanten till mit- ten). I ett cykliskt test av denna del, utformat att grovt efter- likna arbetspåkänningarna, uppvärmdes kanten medan mitten hölls relativt kall. Ingen sprickbildning uppstod i skivan under det cykliska testet. Det är för fackmannen uppenbart att föreliggande uppfinning kan modifieras och ändras inom ramen för efterföljande patent- krav utan att frångå uppfinningens idé och ändamål, Patentkrav: II II ll II II II II II ll Il II

1. l. Förfarande för framställning av en turbinrotor innefat- tande en rotorskiva (l9) med cirkulär ytterperiferi och med i ett stycke därmed utformade skovelblad (22) av en plattformad smidesförform (10) med en runtomgående cirkulär ytterkant (14), k ä n n e t e c k n a t a v att ett flertal periferiellt åt- skilda spår (12) utformas i förformen (10), varvid spåren har en botten (16) och respektive spår sträcker sig radiellt frân ytterkanten (14) till botten samt axiellt genom förformens hela tjocklek; och att rotorbladen (22) formas av förformen och ro- torskivan (19) smides av förformen, varvid spåren tillslutes fullständigt från spårbotten till ytterkanten genom smidningen till bildande av smidesfogar (20) längs respektive spårs radiella utsträckning utan att spårytorna (18) bindes samman och varvid smidesfogarna är lokaliserade periferiellt mellan intill varandra liggande rotorblad (22).

2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t a v att innan spåren (12) tillslutes genom smidning, oxideras spårytorna (18) för att förhindra sammanbindning därav.

3. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t ny 448 953 a v att rotorbladens (22) utformning och rotorskivans (19) smid- ning innefattar att rotorbladen smides samtidigt med eller efter det att spåren (12) tillslutits.

4. Förfarande enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t a v 'att förformen (10) utformas av en varmhållfast legering.

5. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t a v att spårytornas (18) oxidering innefattar att spårytorna belägges med en oxid.

6. Förfarande enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t a v att spåren (12) utformas med en bottenradie och att innan spåren tillslutes genom smidning, placeras en metallstav (26) längs spârbottnen (16), varvid resp. spår tillslutes genom smid- ning kring staven för bibehållande av en radie vid det tillslutna spârets botten (24).

7. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t a v att efter spårens (12) tillslutning, utformas rotorbladen (22) av den smidda förformen (10).

8. Turbinrotor, k ä n n e t e c k n a d a v en smidd ro- torskiva (19) med en runtomgående cirkulär ytterkant (14) och ett flertal periferiellt åtskilda skovelblad (22) som sträcker sig radiellt utåt från och i ett stycke med nämnda ytterkant, varvid rotorskivan innefattar ett flertal periferiellt åtskilda, genom fullständig tillslutning av spår (12) i skivan från spårens botten till ytterkanten bildade smidesfogar (20), vilka resp. sträcker sig inåt längs en radiell linje från skivans ytterkant med ett avstånd som är mindre än skivans radiella tjocklek samt axiellt genom skivans hela tjocklek, och varvid respektive fog är lokaliserad mellan ett par intill varandra liggande rotorblad (22) där fogytorna står i ett kontakt- men obundet förhållande.

9. Turbinrotor enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d a v att respektive smidesfog (20) har en radiellt innersta ände (24) och uppvisar en metallstav (26) som sträcker sig axiellt genom rotorskivans (25) tjocklek och som omges av smidesfogen vid dennas radiellt innersta ände.

10. Turbinrotor enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d a v att rotorbladen (22) är utformade genom smidning och i ett stycke med rotorskivan (19).

11. Turbinrotor enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k - n a d a v att rotorn är utformad av en varmhållfast legering.