DE19628506A1 - Turbine shaft for steam turbines - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbinenwelle, insbesondere für eine Dampfturbine, welche entlang einer Rotationsachse ge richtet ist und einen ersten axial gerichteten Bereich mit einem maximalen Radius R₁ und einen an diesen angrenzenden zweiten axial gerichteten Bereich mit einem maximalen Radius R₂ aufweist.The invention relates to a turbine shaft, in particular for a steam turbine, which ge along an axis of rotation is directed and with a first axially directed area a maximum radius R₁ and one adjacent to this second axially directed area with a maximum radius R₂ has.
In der US-PS 3,767,390 ist ein martensitischer Edelstahl für Anwendungen bei hohen Temperaturen, beispielsweise zur Her stellung von Dampfturbinenschaufeln oder Bolzen zur Verbin dung zweier Hälften eines Dampfturbinengehäuses, beschrieben. Dieser Stahl hat vorzugsweise einen Anteil (alle nachfolgen den Angaben in Gewichtsprozent) von 12% Chrom und etwa 0.3% Niob. Durch die Zugabe des Niobs soll eine Erhöhung der Zeit standfestigkeit sowie eine weitgehende Freiheit des Stahl von δ-Ferrit erreicht werden. Als weitere Legierungsbestandteile weist der beschriebene Stahl in einer bevorzugten Aus führungsform 0.25% Co, 4% Mn, 0.35% Si, 0.75% Ni, 1.0% Mo, 1.0% W, 0.3% V, 0.75% N sowie einen Rest an Eisen und Verunreinigungen von Schwefel, Phosphor und Stickstoff auf.In US-PS 3,767,390 is a martensitic stainless steel for Applications at high temperatures, e.g. for manufacturing Position of steam turbine blades or bolts for connection tion of two halves of a steam turbine housing, described. This steel preferably has a share (follow all in percent by weight) of 12% chromium and about 0.3% Niobium. The addition of niobium is said to increase the time Stability and extensive freedom of the steel from δ ferrite can be achieved. As further alloy components has the described steel in a preferred Aus 0.25% Co, 4% Mn, 0.35% Si, 0.75% Ni, 1.0% Mo, 1.0% W, 0.3% V, 0.75% N and a remainder of iron and Contamination of sulfur, phosphorus and nitrogen.
In dem Artikel "Development and Production of High Purity 9Cr1MoV Steel for High Pressure - Low Pressure Rotor Shaft" von T. Azuma, Y. Tanaka, T. Ishiguro, H. Yoshita und Y. Iketa in Conference Proceedings of Third International Turbine Con ference, 25-27. April 1995, Civic Centre, Newcastle upon Tyne, GB, "Materials Engineering in Turbines and Compres sors", Herausgeber A. Strang, Seiten 201 bis 210, ist ein Stahl für eine kombinierte Hochdruck- und Niederdruck-Dampf turbinenwelle angegeben. Der Stahl soll für die Herstellung einer solchen Turbinenwelle aus einem einzigen Material ge eignet sein. Er hat in einer bevorzugten Ausführungsform eine Zusammensetzung von 9.8% Chrom, 1.3% Nickel, 0.16% Kohlen stoff, weniger als 0.1% Silizium, weniger als 0.1% Mangan, 1.4% Molybdän, 0.21% Vanadium, 0.05% Niob, 0.04% Stick stoff, Rest Eisen sowie Verunreinigungen an Phosphor, Schwe fel, Aluminium, Arsen, Zinn, Antimon. Der Hochdruckteil der Turbinenwelle hat einen Durchmesser von 1200 mm und der Nie derdruckteil einen Durchmesser von 1750 mm, wobei die Turbi nenwelle als Ganzes aus einem Rohling mit einem Durchmesser von 1800 mm gefertigt ist.In the article "Development and Production of High Purity 9Cr1MoV Steel for High Pressure - Low Pressure Rotor Shaft " by T. Azuma, Y. Tanaka, T. Ishiguro, H. Yoshita and Y. Iketa in Conference Proceedings of Third International Turbine Con ference, 25-27. April 1995, Civic Center, Newcastle upon Tyne, UK, "Materials Engineering in Turbines and Compres sors ", publisher A. Strang, pages 201 to 210, is a Steel for a combined high pressure and low pressure steam turbine shaft specified. The steel is said to be for manufacturing such a turbine shaft made of a single material be suitable. In a preferred embodiment, it has one Composition of 9.8% chromium, 1.3% nickel, 0.16% carbon fabric, less than 0.1% silicon, less than 0.1% manganese, 1.4% molybdenum, 0.21% vanadium, 0.05% niobium, 0.04% stick material, remainder iron and impurities in phosphorus, welding rock, aluminum, arsenic, tin, antimony. The high pressure part of the Turbine shaft has a diameter of 1200 mm and the never derdruckteil a diameter of 1750 mm, the Turbi nenwelle as a whole from a blank with a diameter made of 1800 mm.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenwelle, insbeson dere für eine Dampfturbine, anzugeben, die für einen Einsatz bei hohen thermischen Belastungen mit einem in axialer Rich tung abnehmenden Temperaturverlauf und mit einer maximalen Temperatur von über 550°C geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Turbinenwelle anzugeben.The object of the invention is a turbine shaft, in particular for a steam turbine, to specify that for an application at high thermal loads with an in the axial direction direction decreasing temperature curve and with a maximum Temperature above 550 ° C is suitable. Another job the invention is a method of manufacture to specify such a turbine shaft.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Turbinenwelle bezogene Auf gabe durch eine entlang einer Rotationsachse gerichtete Tur binenwelle gelöst, die einen ersten axial gerichteten Bereich mit einem maximalen Radius R₁ und einen an diesem angrenzen den zweiten axial gerichteten Bereich mit einem maximalen Ra dius R₂ < R₁ aufweist, wobei der erste Bereich einen ersten Grundwerkstoff und der zweite Bereich einen zweiten Grund werkstoff mit einer jeweiligen Stahllegierung beinhalten 8.0% bis 12.0% Chrom (Angaben in Gewichtsprozent) auf weisen, deren Austenitisierungstemperatur im wesentlichen gleich sind. Der erste Grundwerkstoff eignet sich für den Einsatz bei einer hohen Temperatur, insbesondere von über 550°C; der zweite Grundwerkstoff für einen Einsatz bei einer niedrigeren Temperatur, insbesondere zwischen 350°C und 550°C.According to the invention, the reference to a turbine shaft through a door directed along an axis of rotation pinenwelle solved, the first axially directed area with a maximum radius R 1 and adjoin it the second axially directed area with a maximum Ra dius R₂ <R₁, the first region having a first Base material and the second area a second base contain material with a respective steel alloy 8.0% to 12.0% chromium (figures in percent by weight) point, the austenitizing temperature essentially are the same. The first base material is suitable for the Use at a high temperature, especially above 550 ° C; the second base material for use in a lower temperature, especially between 350 ° C and 550 ° C.
Der erste Grundwerkstoff hat einen in Gewichtsprozent niedri geren Anteil an Nickel als der zweite Grundwerkstoff, insbe sondere einen um mehr als 0,1% niedrigeren Nickel-Anteil. Der Anteil in Gewichtsprozent an Nickel beträgt für jeden Grundwerkstoff zwischen 0,1% und 1,8%, vorzugsweise für den zweiten Grundwerkstoff 1,0% bis 1,5% Nickel, insbesondere 1,3%, und den ersten Grundwerkstoff 0,2% bis 0,6% Nickel. Der Chromgehalt des ersten Grundwerkstoffs, insbesondere für einen Hochdruck- Teil einer Dampfturbine, beträgt (Angaben in Gewichtsprozent) 10% bis 12% und der Chromanteil des zwei ten Grundwerkstoffs, insbesondere für einen Niederdruck- Teil einer Dampfturbine, beträgt (Angaben in Gewichtsprozent) 9,5% bis 10,5%, insbesondere 9,8%.The first base material has a low weight percent less nickel than the second base material, esp especially a nickel content that is more than 0.1% lower. The percentage by weight of nickel is for everyone Base material between 0.1% and 1.8%, preferably for the second base material 1.0% to 1.5% nickel, in particular 1.3%, and the first base material 0.2% to 0.6% nickel. The chromium content of the first base material, especially for a high pressure part of a steam turbine, (details in Percent by weight) 10% to 12% and the chromium content of the two th base material, especially for a low pressure part a steam turbine, is (in percent by weight) 9.5% to 10.5%, especially 9.8%.
Bei einer Turbinenwelle mit bereichsweise unterschiedlichen Stahllegierungen gleicher Austenitisierungstemperatur, die in dem ersten Bereich mit geringeren Querschnitt einen Grund werkstoff mit einem gegebenenfalls höheren Anteil an Chrom und einem niedrigeren Anteil an Nickel als in dem zweiten Be reich mit größerem Querschnitt hat, wird in dem ersten Be reich eine hohe Warmfestigkeit, eine hohe Zeitstandfestigkeit und in eine ausreichende Bruchzähigkeit erreicht. In dem zweiten Bereich werden hohe Streckgrenzanforderungen und eine sehr gute Kerbschlagzähigkeit und Bruchzähigkeit gewährlei stet. Eine geforderte Streckgrenze Rp02 kann bei ca. 720MPa√ liegen. Die Bruchzähigkeit liegt beispielsweise bei ca. 200MPa und für die Zähigkeit gilt, daß die FATT kleiner als 25°C ist. Durch die hohe Warmfestigkeit des ersten Bereiches eignet sich dieser als Hochdruckteil einer kombinierten Hoch druck-Niederdruck-Dampfturbine selbst bei Dampfeintrittstem peraturen von über 550°C bis etwa 650°C. Der zweite Bereich eignet sich bevorzugt für den Einsatz bei Temperaturbelastun gen von 350°C bis etwa 550°C. Durch eine unterschiedliche Wahl des Chrom- und Nickelanteils in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ist entsprechend den Materialanforderun gen eine selektive Einstellung der Warmfestigkeit in dem er sten Bereich und der Zähigkeit in dem zweiten Bereich weitge hend unabhängig voneinander gegeben. Im Gegensatz zu einer Turbinenwelle, die aus einem einheitlichen Werkstoff herge stellt ist, bedarf es hierbei keines Kompromisses zwischen Zeitstandfestigkeit in dem thermisch höher belasteten Bereich und Zähigkeit in dem thermisch etwas weniger hoch belasteten zweiten Bereich. Auch ergibt sich durch ähnlich zusammenge setzte Grundwerkstoffe nicht das Problem, daß in einer Über gangszone zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich eine Vermischung der Grundwerkstoffe mit deutlich abweichen den Materialeigenschaften entsteht. Entlang der Rotations achse hat die Turbinenwelle in Bereichen mit unterschied lichem Radius unterschiedliche thermomechanische Eigenschaf ten. Diese Eigenschaften werden durch die gezielt gewählten unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen erzielt. Die Bereiche können hierbei durch Abschmelzen unterschiedlich le gierter Elektroden nach dem Elektro-Schlacke-Umschmelz-Ver fahren (ESU-Verfahren) hergestellt werden.In the case of a turbine shaft with different steel alloys of the same austenitizing temperature, which in the first area with a smaller cross section has a base material with a possibly higher proportion of chromium and a lower proportion of nickel than in the second region with a larger cross section, the first Be high heat resistance, high creep rupture strength and sufficient fracture toughness. In the second area, high yield strength requirements and very good notched impact strength and fracture toughness are guaranteed. A required yield strength R p02 can be around 720MPa√. The fracture toughness is, for example, approximately 200 MPa and the toughness applies that the FATT is less than 25 ° C. The high heat resistance of the first area makes it suitable as a high-pressure part of a combined high-pressure-low-pressure steam turbine, even at steam inlet temperatures of over 550 ° C to about 650 ° C. The second area is preferably suitable for use at temperatures from 350 ° C to about 550 ° C. Through a different choice of the chromium and nickel content in the first area and the second area, a selective setting of the heat resistance in the first area and the toughness in the second area is largely independent of one another in accordance with the material requirements. In contrast to a turbine shaft, which is made of a uniform material, there is no need to compromise between creep rupture strength in the thermally more highly stressed area and toughness in the slightly less thermally highly stressed second area. Also by similarly composed base materials there is no problem that in a transition zone between the first area and the second area there is a mixture of the base materials with significantly different material properties. Along the axis of rotation, the turbine shaft has different thermomechanical properties in areas with different radius. These properties are achieved through the specifically selected different chemical compositions. The areas can be produced by melting electrodes of different alloys using the electro-slag remelting process (ESR process).
Durch die im wesentlichen gleiche Austenitisierungstemperatur ändern sich in der Übergangszone zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich die Materialeigenschaften allenfalls geringfügig. Sie sind somit weitgehend unabhängig von der je weiligen chemischen Zusammensetzung. Durch eine ähnliche Zu sammensetzung der Hauptkarbid- und Hauptnitrid-Bildner, wie C, N, V, Nb, Mo, W in den Grundwerkstoffen ergibt sich für die gesamte Turbinenwelle die im wesentlichen einheitliche Austenitisierungstemperatur. Hierdurch wird erreicht, daß im Gegensatz zu Turbinenwellen mit deutlich unterschiedlichen Grundwerkstoffen, der erste Bereich mit der gleichen Tempe ratur wie der zweite Bereich austenitisiert werden kann. Eine unterschiedliche Temperaturbehandlung, insbesondere bei einem Hochdruck- und Niederdruckteil einer Dampfturbinenwelle, er gäbe eine negative Beeinflussung der jeweiligen Austenitisie rungsvorgänge.Due to the essentially same austenitizing temperature change in the transition zone between the first area and the second area, the material properties at most marginally. They are therefore largely independent of each sparse chemical composition. Through a similar approach composition of the main carbide and main nitride formers, such as C, N, V, Nb, Mo, W in the base materials results for the entire turbine shaft the essentially uniform Austenitizing temperature. This ensures that in Contrary to turbine shafts with clearly different ones Base materials, the first area with the same tempe How the second area can be austenitized. A different temperature treatment, especially one High pressure and low pressure part of a steam turbine shaft, he would have a negative influence on the respective austenitis operations.
Nunmehr kann in einem Arbeit schritt ein weitgehend ferrit freies Gefüge der gesamten Turbinenwelle erzeugt werden. Die nachfolgenden Stabilisierungs- und Anlaßtemperaturen unter scheiden sich nur geringfügig voneinander. Die Handhabung un terschiedlicher Anlaßtemperaturen für verschiedene Bereiche in axialer Richtung der Turbinenwelle bereiten außerdem keine technischen Probleme. Die Austenitisierungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von 950°C bis 1150°C, insbesondere bei etwa 1050°C.Now a largely ferrite can be processed in one step free structure of the entire turbine shaft can be generated. The subsequent stabilization and tempering temperatures below differ only slightly. Handling and Different tempering temperatures for different areas In addition, none prepare in the axial direction of the turbine shaft technical problems. The austenitizing temperature is preferably in the range from 950 ° C. to 1150 ° C., in particular at about 1050 ° C.
Der erste Grundwerkstoff weist vorzugsweise (Angaben in Ge wichtsprozent), 0 bis 3% Wolfram, 0 bis 3% Kobalt und/oder 0 bis 2% Rhenium auf. Insbesondere liegt der Anteil an Wolf ram zwischen 2,4% und 2,7% und/oder der Anteil an Kobalt zwischen 2,4% und 2,6%. Durch Zugabe von Rhenium ist eine Erhöhung sowie der Zeitstandfestigkeit erreichbar.The first base material preferably has (details in Ge percent by weight), 0 to 3% tungsten, 0 to 3% cobalt and / or 0 to 2% rhenium. In particular, the stake is in Wolf ram between 2.4% and 2.7% and / or the proportion of cobalt between 2.4% and 2.6%. By adding rhenium is one Increase and creep rupture strength achievable
Als weitere Legierungskomponenten weist der erste Grundwerk stoff auf (Angaben in Gewichtsprozent):The first base works as further alloy components fabric on (data in percent by weight):
- 0% bis 0.5% Mo, insbesondere 0.15% bis 0.25%,0% to 0.5% Mo, in particular 0.15% to 0.25%,
- 0.1% bis 0.3% V, insbesondere 0.15% bis 0.25%,0.1% to 0.3% V, in particular 0.15% to 0.25%,
- 0.02% bis 0.18% Nb, insbesondere 0.04% bis 0.08%,0.02% to 0.18% Nb, in particular 0.04% to 0.08%,
- 0.05% bis 0.25% C, insbesondere 0.08% bis 0.12%,0.05% to 0.25% C, in particular 0.08% to 0.12%,
- 0.01% bis 0.07% N, insbesondere 0.15% bis 0.045%0.01% to 0.07% N, in particular 0.15% to 0.045%
und Desoxidationselemente wie < 0.15% Si, < 0.7% Mn, insbe
sondere 0.4% bis 0.6%,
und Rest Eisen sowie gegebenenfalls herstellungsbedingte Ver
unreinigungen, insbesondere an Phosphor, Antimon, Zinn, Alu
minium, Arsen, Schwefel.and deoxidation elements such as <0.15% Si, <0.7% Mn, in particular 0.4% to 0.6%,
and the rest of iron and, if appropriate, production-related impurities, in particular of phosphorus, antimony, tin, aluminum, arsenic, sulfur.
Der erste Grundwerkstoff kann eine hochreine Stahllegierung (superclean, ultrasuperclean) mit sehr geringem Verunreini gungsgehalt sein. Solche Stahllegierungen, insbesondere für 12% - Chromstähle, sind beispielsweise in dem Tagungsbericht "Clean Steel, Super Clean Steel" 06. bis 07.03.1995, Copthor ne Tara Hotel, London, Großbritannien in den Artikeln "The EPRI Survey on Superclean Steels" von J. Nutting, insbe sondere in Tabelle 1, sowie "Development of Production Tech nology and Manufacturing Experiences with Super Clean 3,5 NiCrMoV Steels" von W. Meyer, R. Bauer, G. Zeiler insbeson dere in den Tabellen zu dem 12% - Chromstahl (Böt550SO) be schrieben. The first base material can be a high-purity steel alloy (superclean, ultrasuperclean) with very little pollution content. Such steel alloys, especially for 12% - chrome steels are, for example, in the conference report "Clean Steel, Super Clean Steel" March 6th to 7th, 1995, Copthor ne Tara Hotel, London, Great Britain in the articles "The EPRI Survey on Superclean Steels "by J. Nutting, esp especially in Table 1, as well as "Development of Production Tech nology and Manufacturing Experiences with Super Clean 3.5 NiCrMoV Steels "by W. Meyer, R. Bauer, G. Zeiler in particular in the tables for the 12% chrome steel (Böt550SO) wrote.
Zumindest der erste Grundwerkstoff, d. h. der Grundwerkstoff für den Bereich mit kleinerem Radius und hoher Warmfestig keit, weist als weitere Legierungskomponente Bor bis 0.03 Gew.%, insbesondere 0.005 Gew.% bis 0.02 Gew.% auf.At least the first base material, i.e. H. the base material for the area with a smaller radius and high heat resistance speed, as a further alloy component boron up to 0.03 % By weight, in particular 0.005% by weight to 0.02% by weight.
Als weitere Legierungselemente weist der zweite Grundwerk stoff vorzugsweiseThe second base works as further alloying elements preferably fabric
- 1.0% bis 1.6% Mo, insbesondere 1.4%,1.0% to 1.6% Mo, especially 1.4%,
- 0.15% bis 0.25% V, insbesondere 0.21%,0.15% to 0.25% V, in particular 0.21%,
- 0.03% bis 0.07% Nb, insbesondere 0.05%,0.03% to 0.07% Nb, in particular 0.05%,
- 0.03% bis 0.06% N, insbesondere 0.04%, bis 0.1% Si,0.03% to 0.06% N, in particular 0.04%, up to 0.1% Si,
- 0.1 bis 0.2% C, insbesondere 0.16%, bis 0.2% Mn auf.0.1 to 0.2% C, in particular 0.16%, up to 0.2% Mn.
Vorzugsweise eignet sich die Turbinenwelle für die Verwendung in einer Dampfturbine, wobei der erste Bereich der Aufnahme der Laufschaufeln des Hochdruckteils der Dampfturbine und der zweite Bereich der Aufnahme der Laufschaufeln des Nieder druckteils der Dampfturbine dient. Während eines Betriebes der Dampfturbine kann dabei der Hochdruckteil einer Dampftem peratur von 550°C bis 650°C ausgesetzt sein, was eine gute Warmfestigkeit des ersten Bereichs, vor allem im oberflächen nahen Bereich, erfordert. In der Umgebung der Rotationsachse herrschen niedrigere Temperaturen als an der Oberfläche, so daß gegebenenfalls auch im Hochdruckteil ein achsnaher Kern bereich aus einem Grundwerkstoff mit niedrigerer Warmfestig keit, beispielsweise dem zweiten Grundwerkstoff, gebildet sein kann. Der zweite Bereich, welcher den Niederdruckteil der Dampfturbine bildet und einen größeren Radius als der er ste Bereich aufweist, ist insbesondere aufgrund der größeren Niederdruck-Laufschaufeln sowie des eignen größeren Radius es höheren mechanischen Belastungen als der Hochdruckteil ausge setzt. Eine hohe Zähigkeit, insbesondere Bruchzähigkeit, ist daher für den Niederdruckteil erforderlich, was durch die entsprechende Wahl der Legierungskomponenten (höherer Anteil an Nickel, gegebenenfalls geringerer Anteil an Chrom) des zweiten Grundwerkstoffes erreicht wird. Die thermische Bela stung des Niederdruckteils liegt dabei vorzugsweise unterhalb von 500°C, insbesondere unterhalb von 480°C. Die Streck grenze kann bei über 720 MPa liegen.The turbine shaft is preferably suitable for use in a steam turbine, the first area of the intake the blades of the high pressure part of the steam turbine and the second area of the inclusion of the blades of the Nieder pressure part of the steam turbine is used. During an operation the steam turbine can be the high pressure part of a steam turbine temperature of 550 ° C to 650 ° C, which is a good one Heat resistance of the first area, especially in the surface near area, requires. In the vicinity of the axis of rotation there are lower temperatures than on the surface, so that, if necessary, also in the high pressure part a core close to the axis area made of a base material with lower heat resistance speed, for example the second base material can be. The second area, which is the low pressure part the steam turbine forms and a larger radius than that most area is particularly due to the larger Low-pressure blades and their own larger radius higher mechanical loads than the high pressure part puts. High toughness, especially fracture toughness, is therefore required for the low pressure part, which by the appropriate choice of alloy components (higher proportion of nickel, possibly less chromium) second base material is reached. The thermal bela The low-pressure part is preferably below of 500 ° C, especially below 480 ° C. The stretch the limit can be over 720 MPa.
Im Hinblick auf die bei einer Oberflächentemperaturbelastung radial in Richtung der Rotationsachse abnehmenden Temperatur in der Turbinenwelle weist der erste Bereich vorzugsweise ei nen achsnahen Kernbereich auf, der von einem Mantelbereich umgeben ist. Der Mantelbereich besteht vorzugsweise aus dem ersten Grundwerkstoff und besitzt somit die geforderte Warm festigkeit. Der Kernbereich besteht vorzugsweise aus dem zweiten Grundwerkstoff oder einem dritten Grundwerkstoff, welcher auch über eine gute Warmfestigkeit verfügt. Der Kern bereich kann hierbei durch Elektro-Schlacke-Umschmelzen einer entsprechend legierten Elektrode oder Elektroden hergestellt sein.With regard to the surface temperature load temperature decreasing radially in the direction of the axis of rotation in the turbine shaft, the first region preferably has an egg a core area close to the axis, that of a jacket area is surrounded. The jacket area preferably consists of the first base material and thus has the required warmth strength. The core area preferably consists of the second base material or a third base material, which also has good heat resistance. The core the area can be remelted by electro-slag made according to alloyed electrodes or electrodes be.
Der maximale Radius R₁ des ersten Bereiches, des Hochdruck teils, liegt vorzugsweise zwischen 350 mm und etwa 750 mm. Der maximale Radius R₂ des zweiten Bereiches, d. h. des Nie derdruckteils, liegt vorzugsweise zwischen 700 mm und 1000 mm.The maximum radius R₁ of the first area, the high pressure partly, is preferably between 350 mm and about 750 mm. The maximum radius R₂ of the second area, i.e. H. of the never the pressure part, is preferably between 700 mm and 1000 mm.
Die auf ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenwelle ge richtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der erste Bereich durch Abschmelzen einer Elektrode oder mehrerer Elektroden aus dem ersten Grundwerkstoff, beispielsweise nach einem ESU- Verfahren hergestellt wird. Der zweite Bereich wird durch ein Abschmelzen einer Elektrode oder mehrerer Elektroden aus dem zweiten Grundwerkstoff hergestellt. Die Herstellung der ge samten Welle kann in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen, wo bei zuerst Elektroden aus dem ersten Grundwerkstoff und an schließend Elektroden aus dem zweiten Grundwerkstoff oder um gekehrt abgeschmolzen werden. Ein so hergestellter Rohling einer Turbinenwelle kann beispielsweise durch Schmieden auf die entsprechenden Radien des ersten Bereiches und des zwei ten Bereiches gebracht werden. Die Wärmebehandlung einer durch das ESU-Verfahren hergestellten kombinierten Turbinen welle kann für den ersten Bereich und den zweiten Bereich gleichartig erfolgen. Eine Vorabwärmebehandlung wird bei etwa 1100°C über eine Zeitdauer von etwa 26 Stunden durchgeführt und mit einer Ofenabkühlung auf etwa 680°C weitergeführt. Daran schließt sich, je nach Wellendurchmesser, eine Quali tätswärmebehandlung mit der Austenitisierungstemperatur von etwa 1070°C über eine Zeitdauer von etwa 33 Stunden an. Ein Anlassen erfolgt danach beispielsweise über eine Zeitdauer von etwa 24 Stunden bei einer Temperatur zwischen 650°C und 680°C, wobei bereichsweise unterschiedliche Anlaßtemperatu ren erzeugt werden können.The ge on a method of manufacturing a turbine shaft The task is solved in that the first area by melting one or more electrodes from the first base material, for example after an ESR Process is made. The second area is marked by a Melting one or more electrodes from the second base material. The production of the ge Whole shaft can be done in a single operation where with electrodes made of the first base material and on closing electrodes made of the second base material or around be swept away. A blank made in this way a turbine shaft can, for example, by forging the corresponding radii of the first area and the two th area. The heat treatment of a Combined turbines manufactured by the ESR process wave can for the first area and the second area done in the same way. Pre-heat treatment is around 1100 ° C over a period of about 26 hours and continued with oven cooling to about 680 ° C. Depending on the shaft diameter, this is followed by a qualification thermal heat treatment with the austenitizing temperature of about 1070 ° C over a period of about 33 hours. A Starting takes place, for example, over a period of time of about 24 hours at a temperature between 650 ° C and 680 ° C, with different tempering temperatures in some areas ren can be generated.
Eine Herstellung eines ersten Bereiches mit einem um die Ro tationsachse sich erstreckenden Kernbereich aus dem zweiten Grundwerkstoff wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß ein aus dem ersten Grundwerkstoff gebildeter Hohlzylinder durch ein Abschmelzen einer oder mehrerer Elektroden mit dem zwei ten Grundwerkstoff aufgefüllt wird. Der Hohlzylinder aus dem ersten Grundwerkstoff kann durch konventionelle Schmiedever fahren hergestellt sein. Beim Auffüllen des Hohlzylinders mit dem zweiten Grundwerkstoff oder einem dritten Grundwerkstoff mit hoher Warmfestigkeit, beispielsweise mittels des Elektro- Schlacke-Umschmelzverfahrens (ESU-Verfahrens), kann die so hergestellte Rohform des ersten Bereiches mit dem erstar renden ESU-Schmelzbad verschweißt werden. Es ist ebenfalls möglich, den ersten Bereich auf den zweiten Bereich aufwach sen zu lassen. Analog kann der zweite Bereich, der Nieder druck-Teil, durch Füllen eines aus dem zweiten Grundwerkstoff bestehenden Hohlzylinders durch den ersten Grundwerkstoff oder einen weiteren Grundwerkstoff erfolgen.A production of a first area with one around the ro core axis extending from the second Base material is achieved according to the invention in that a hollow cylinder formed from the first base material melting one or more electrodes with the two base material is filled. The hollow cylinder from the first base material can be made by conventional forging drive be made. When filling the hollow cylinder with the second base material or a third base material with high heat resistance, for example by means of the electrical Slag remelting process (ESR process), the so manufactured raw form of the first area with the star ESU weld pool are welded. It is also possible to wake up the first area to the second area to let. Similarly, the second area, the Nieder pressure part, by filling one from the second base material existing hollow cylinder through the first base material or another base material.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie le werden die Turbinenwelle und das Verfahren zur Herstellung der Turbinenwelle näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich Based on the exemplary embodiment shown in the drawing le are the turbine shaft and the manufacturing process the turbine shaft explained in more detail. It shows schematically and not to scale
Fig. 1 eine entlang einer Rotationsachse gerichtete Dampfturbinenwelle und Fig. 1 is a directed along a rotational axis and steam turbine shaft
Fig. 2 und Fig. 3 einen Rohling für eine Dampfturbinenwelle. Fig. 2 and Fig. 3 shows a blank for a steam turbine shaft.
Fig. 1 zeigt zwei unterschiedliche Ausführungsformen einer entlang einer Rotationsachse 2 gerichteten Turbinenwelle 1. Die Turbinenwelle 1 hat eine ersten zur Rotationsachse rota tionssymmetrischen Bereich 4, der den Hochdruck-Teil dar stellt, mit einem Radius R₁. An den ersten Bereich 4 schließt sich ein zweiter Bereich 5, der Niederdruck-Teil, an welcher gegenüber dem ersten Bereich 4 einen größeren Radius R₂ auf weist. Die sich jeweils an den ersten Bereich 4 bzw. den zweiten Bereich 5 anschließenden Enden 3 der Turbinenwelle 1 dienen der Lagerung. In der ersten oberhalb der Rotations achse 2 dargestellten Ausführungsform ist der erste Bereich 4 vollständig aus einem ersten Grundwerkstoff gefertigt, wel cher eine hohe Warmfestigkeit besitzt, so daß die Turbinen welle 1 für einen Einsatz bei Dampfeintrittstemperaturen von etwa 550°C bis etwa 650°C geeignet ist. Der erste Grund werkstoff hat einen Gehalt an Chrom von etwa 10.5 Gewichts prozent und einen Gehalt an Nickel von etwa 0.75 Gewichtspro zent. Er kann neben weiteren Legierungsbestandteilen Wolfram bis zu 3,0 Gew.%, Rhenium bis zu 2,0 Gew.% und eine Beimischung von 0.005 Gew.% bis 0.02 Gew.% Bor aufweisen. Der zweite Bereich 5 ist aus einem zweiten Grundwerkstoff ge fertigt, welcher dem ersten Grundwerkstoff in seiner chemi schen Zusammensetzung ähnelt. Der Gehalt an Chrom beträgt et wa 9.8 Gewichtsprozent und der Gehalt an Nickel etwa 1.3 Ge wichtsprozent. Beide Grundwerkstoffe weisen im wesentlichen dieselbe Austenitisierungstemperatur auf. Fig. 1 shows two different embodiments of a directed along an axis of rotation 2 Turbine shaft 1. The turbine shaft 1 has a first to the axis of rotation rotationally symmetrical region 4 , which represents the high pressure part, with a radius R₁. At the first area 4 is a second area 5 , the low-pressure part, on which compared to the first area 4 has a larger radius R₂. The ends 3 of the turbine shaft 1 adjoining the first area 4 and the second area 5 are used for storage. In the first embodiment shown above the axis of rotation 2 , the first region 4 is made entirely of a first base material, which has a high heat resistance, so that the turbine shaft 1 for use at steam inlet temperatures of about 550 ° C to about 650 ° C suitable is. The first base material has a chromium content of approximately 10.5 percent by weight and a nickel content of approximately 0.75 percent by weight. In addition to other alloy components, it can contain tungsten up to 3.0% by weight, rhenium up to 2.0% by weight and an admixture of 0.005% by weight to 0.02% by weight boron. The second region 5 is made of a second base material, which is similar in chemical composition to the first base material. The chromium content is approximately 9.8 percent by weight and the nickel content is approximately 1.3 percent by weight. Both base materials have essentially the same austenitizing temperature.
Bei der zweiten unterhalb der Rotationsachse 2 dargestellten Ausführungsform der Turbinenwelle 1 weist der erste Bereich 4 einen axialen Kernbereich 6 mit einem Radius R₃, welcher kleiner als der Radius R₁ ist, auf. Dieser Kernbereich 6 ist gebildet aus dem zweiten Grundwerkstoff. Der Kernbereich 6 ist von einem Mantelbereich 7, bestehend aus dem ersten Grundwerkstoff, ummantelt. Hierdurch hat die Turbinenwelle 1 in dem oberflächennahen Bereich des ersten Bereiches 4, der den hohen Dampftemperaturen ausgesetzt ist, die gewünschte Warmfestigkeit. In dem achsnahen Bereich, d. h. dem Kernbe reich 6, liegen geringere Temperaturen vor, so daß die Warm festigkeit des zweiten Grundwerkstoffes ausreichend ist und somit der Kernbereich 6 zudem die hohe Bruchzähigkeit des zweiten Grundwerkstoffes aufweist.In the second embodiment of the turbine shaft 1 shown below the axis of rotation 2 , the first region 4 has an axial core region 6 with a radius R₃ which is smaller than the radius R₁. This core area 6 is formed from the second base material. The core area 6 is encased by a jacket area 7 consisting of the first base material. As a result, the turbine shaft 1 has the desired heat resistance in the region of the first region 4 which is close to the surface and which is exposed to the high steam temperatures. In the area close to the axis, ie the core area 6 , lower temperatures are present, so that the heat resistance of the second base material is sufficient and thus the core area 6 also has the high fracture toughness of the second base material.
In Fig. 2 ist eine entlang einer Rotationsachse 2 gerichtete Rohform einer Turbinenwelle 1 dargestellt. Die Rohform weist einen ersten Bereich 4 auf, auf den entlang der Hauptachse 2 ein zweiter Bereich 5 aufgebracht ist. Der erste Bereich 4 weist einen Hohlzylinder 8 aus dem ersten, dem warmfesten, Grundwerkstoff auf. In das Innere, den Kernbereich 6, des Hohlzylinders 8 werden nichtdargestellte Elektroden aus dem zweiten Grundwerkstoff gemäß dem ESU-Verfahren abgeschmolzen, so daß sich sukzessive der Kernbereiche 6 mit dem zweiten Grundwerkstoff füllt. Der zweite Grundwerkstoff bildet so in dem ersten Bereich 4 einen achsnahen Kernbereich 6. Der Man telbereich 8 ist vorzugsweise als rotationssymmetrischer Hohlzylinder auf konventionelle Art und Weise hergestellt, insbesondere geschmiedet. Der zweite Bereich 5 wird durch Aufwachsen des zweiten Grundwerkstoffes nach dem ESU-Verfah ren auf den ersten Bereich 4 und den Kernbereich 6 gebildet. FIG. 2 shows a raw form of a turbine shaft 1 directed along an axis of rotation 2 . The raw form has a first area 4 , to which a second area 5 is applied along the main axis 2 . The first region 4 has a hollow cylinder 8 made of the first, the heat-resistant, base material. Electrodes, not shown, made of the second base material are melted into the interior, the core region 6 , of the hollow cylinder 8 in accordance with the ESR method, so that the core regions 6 gradually fill with the second base material. The second base material thus forms a core region 6 close to the axis in the first region 4 . The man telbereich 8 is preferably made as a rotationally symmetrical hollow cylinder in a conventional manner, in particular forged. The second area 5 is formed by growing the second base material after the ESR process on the first area 4 and the core area 6 .
Aus der in Fig. 2 dargestellten Rohform kann durch Schmieden eine Turbinenwelle 1 gemäß Fig. 1 (zweite Ausführungsform) hergestellt werden. Die Enden 3 können nachträglich ange schweißt werden.A turbine shaft 1 according to FIG. 1 (second embodiment) can be produced from the raw form shown in FIG. 2 by forging. The ends 3 can be welded afterwards.
Es ist auch möglich, daß der Bereich 4 und der Kernbereich 6 aus dem zweiten Grundwerkstoff, d. h. dem Werkstoff für den Niederdruckteil der Dampfturbine, und der Bereich 5 aus dem ersten Grundwerkstoff, d. h. dem warmfesten Werkstoff des Hochdruckteils, hergestellt wird. Hierdurch wird der Nieder druckteil der Dampfturbinenwelle in zwei Arbeitsschritten hergestellt, wobei beispielsweise durch konventionelle Schmiedetechnik ein ringförmiger Mantelbereich 8 hergestellt wird. In diesen Mantelbereich wird aus demselben Werkstoff, nämlich dem zweiten Grundwerkstoff, durch das ESU-Verfahren der Kernbereich 6 aufgefüllt. Hierdurch ist es möglich, selbst in ESU-Anlagen in denen der gesamte Niederdruckteil, d. h. der Bereich 5, nicht herstellbar wäre, durch Auffüllen des Kernbereiches 6 in den geschmiedeten Mantelbereich 8 hin ein ausreichend große zu verschmiedende Blöcke herzustellen. Eine entsprechende Rohform für eine Turbinenwelle 1 mit einem aus einem Mantelbereich 8 und einem Kernbereich 6 bestehenden zweiten Bereich 5 ist in Fig. 3 dargestellt.It is also possible for the region 4 and the core region 6 to be produced from the second base material, ie the material for the low-pressure part of the steam turbine, and the region 5 from the first base material, ie the heat-resistant material of the high-pressure part. As a result, the low-pressure part of the steam turbine shaft is produced in two work steps, an annular jacket region 8 being produced, for example, by conventional forging technology. The core area 6 is filled into this jacket area from the same material, namely the second base material, by the ESR method. This makes it possible, even in ESR systems in which the entire low-pressure part, ie the region 5 , could not be produced, to produce sufficiently large blocks to be forged by filling the core region 6 into the forged jacket region 8 . A corresponding raw form for a turbine shaft 1 with a second area 5 consisting of a jacket area 8 and a core area 6 is shown in FIG. 3.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine kombinierte Hochdruck- Niederdruck-Turbinenwelle für eine Dampfturbine aus, bei der der Hochdruckteil mit kleinerem Durchmesser und der Nieder druckteil mit größerem Durchmesser aus einer jeweils ähnli chen Stahllegierung hergestellt werden. Die Stahllegierungen weisen dabei 8.0 bis 12.5 Gewichtsprozent Chrom und ge gebenenfalls 0.1 bis 1.8 Gewichtsprozent Nickel auf. Der Nic kelanteil des Hochdruckteils ist niedriger als der ent sprechende Anteil des Niederdruckteils. Durch die Wahl ähn licher Stahllegierungen mit vorzugsweise im wesentlichen den selben Karbid- und Nibridbildnern kann für die Turbinenwelle als Ganzes eine einheitliche Austenitisierungstemperatur von etwa 1050°C angewandt werden. Die Stahllegierung des Hoch druckteils kann Kobald bis zu 3 Gew.% und/oder Re bis zu 2 Gew.% aufweisen. Weiterhin kann der Hochdruckteil einen achsnahen Kernbereich aus derselben Legierung, wie der Nie derdruckteil aufweisen, wobei dieser Kernbereich von einem Mantelbereich umgeben ist, der aus der besonders warmfesten Stahllegierung des Hochdruckteils gefertigt ist. Durch die Wahl unterschiedlicher Stahllegierungen im oberflächennahen Bereich der Turbinenwelle kann den besonderen thermischen und mechanischen Belastungen im Niederdruckteil und Hochdruckteil getrennt Rechnung getragen werden. Der Hochdruckteil ist so ausgeführt, daß er eine hohe Warmfestigkeit für Dampf temperaturen von 550°C bis 650°C aufweist und der Nieder druckteil ist besonders für hohe Anforderungen an die Streck grenze ausgebildet.The invention is characterized by a combined high-pressure Low pressure turbine shaft for a steam turbine in which the high-pressure part with a smaller diameter and the low Printing part with a larger diameter from a similar one Chen steel alloy are manufactured. The steel alloys have 8.0 to 12.5 weight percent chromium and ge if necessary 0.1 to 1.8 weight percent nickel. The Nic The proportion of the high pressure part is lower than the ent speaking part of the low pressure part. Similar by choice Licher steel alloys with preferably essentially the The same carbide and nibride formers can be used for the turbine shaft as a whole a uniform austenitizing temperature of about 1050 ° C can be used. The steel alloy of the high Kobald up to 3% by weight and / or Re up to 2 % By weight. Furthermore, the high pressure part can Core area close to the axis made of the same alloy as the never derdruckteil, wherein this core area of one Coat area is surrounded, which is made of the particularly heat-resistant Steel alloy of the high pressure part is made. Through the Choice of different steel alloys near the surface The area of the turbine shaft can be the special thermal and mechanical loads in the low pressure part and high pressure part be taken into account separately. The high pressure part is like this executed that he has a high heat resistance for steam temperatures of 550 ° C to 650 ° C and the low The pressure part is especially for high demands on the stretch border trained.
Ein Rohblock für die Turbinenwelle kann zu 100% im ESU-Ver fahren durch Abschmelzen mehrerer Elektroden unterschiedli cher chemischer Zusammensetzung oder durch Abschmelzen der artiger Elektronen in einen vorgefertigten Ringkörper aus ei ner der erwähnten Legierungskombinationen (erster Grundwerk stoff, zweiter Grundwerkstoff) hergestellt werden.A raw block for the turbine shaft can be 100% in ESU Ver drive differently by melting several electrodes chemical composition or by melting the like electrons in a prefabricated ring body made of egg ner of the alloy combinations mentioned (first basic work material, second base material).
Claims (14)
0%-3,0% W, 0%-3,0% Co und/oder 0′%-2,0% Re. 5. Turbine shaft ( 1 ), according to one of the preceding claims, in which the first base material has (details in percent by weight):
0% -3.0% W, 0% -3.0% Co and / or 0 ′% - 2.0% Re.
2,4%-2,7% W und/oder 2,4%-2,6% Co.6. Turbine shaft ( 1 ) according to claim 5, in which the first base material has (details in percent by weight):
2.4% -2.7% W and / or 2.4% -2.6% Co.
Mo 0% bis 0.5%, insbesondere 0.15%-0.25%,
V 0.1% bis 0.3%, insbesondere 0.15%-0.25%,
Nb 0.02% bis 0.18%, insbesondere 0.04%-0.08%,
N 0.01% bis 0.07%, insbesondere 0.015%-0.045%
C 0.05% bis 0.25%, insbesondere 0.08%-0.12% und Desoxidationselemente, wie bis 0.15% Si, bis 0.7% Mn, insbesondere 0.4%-0.6%, sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen, insbesondere an As, Al, P, Sb, Sn, S.7. Turbine shaft ( 1 ) according to claim 5 or 6, in which the first base material comprises (details in percent by weight):
Mo 0% to 0.5%, in particular 0.15% -0.25%,
V 0.1% to 0.3%, in particular 0.15% -0.25%,
Nb 0.02% to 0.18%, especially 0.04% -0.08%,
N 0.01% to 0.07%, especially 0.015% -0.045%
C 0.05% to 0.25%, in particular 0.08% -0.12% and deoxidation elements, such as up to 0.15% Si, up to 0.7% Mn, in particular 0.4% -0.6%, as well as production-related impurities, in particular on As, Al, P, Sb, Sn, S.
1.0% bis 1.6% Mo, insbesondere 1.4%,
0.15% bis 0.25% V, insbesondere 0.21%,
0.03% bis 0.07% Nb, insbesondere 0.05%,
0.03% bis 0.06% N, insbesondere 0.04%, bis 0.1% Si,
0.1% bis 0.2% C, insbesondere 0.16%, bis 0.2% Mn.9. Turbine shaft ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the second base material (details in percent by weight) comprises:
1.0% to 1.6% Mo, especially 1.4%,
0.15% to 0.25% V, in particular 0.21%,
0.03% to 0.07% Nb, in particular 0.05%,
0.03% to 0.06% N, in particular 0.04%, to 0.1% Si,
0.1% to 0.2% C, in particular 0.16%, to 0.2% Mn.
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1996
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