DE2522277A1

DE2522277A1 - Zusammengesetzter turbinenrotor und herstellungsverfahren fuer einen solchen rotor

Info

Publication number: DE2522277A1
Application number: DE19752522277
Authority: DE
Inventors: Andre Coulon; Rene Perrin
Original assignee: Cegelec SA
Current assignee: Cegelec SA
Priority date: 1974-05-21
Filing date: 1975-05-20
Publication date: 1975-12-04
Also published as: US3967919A; FR2272259B1; SU692546A3; IT1038277B; JPS50160604A; FR2272259A1; CH589218A5; SU712039A3

Description

DE

, Fo 9391 D 2 0. Mai 1975

Dipl.-Ina- Jürgen WEINMILLER PATENTASSESSOR

SOSPS GmbH

8OOO München SO Zeppelinstr. 63

SOGIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES

ET MECANIQUES ALSTHOM 38, avenue Kleber, 75784 PARIS CEDEX 16, Frankreich

ZUSAMMENGESETZTER TURBINENROTOR UND HERSTELLUNGSVERFAHREN FÜR EINEN SOLCHEN ROTOR

Die Erfindung betrifft Turbinenrotoren, insbesondere Dampfturbinenrotoren, die aufgrund ihrer Abmessungen nicht aus einem einzigen Schmiedeteil, sondern aus mehreren Bauteilen bestehen, die miteinander verschweißt sind.

Es ist ein Rotortyp in Verbundbauweise bekannt, bei dem eine sich über die gesamte Länge des Rotors erstreckende Welle Ringe aufnimmt, die auf diese Welle aufgeschrumpft sind. Diese Schrumpfbauweise bedingt zusätzliche auf das Material

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der Rotorbauteile einwirkende Beanspruchungen, so daß mechanisch sehr hochfeste Stähle verwendet werden müssen, die jedoch aufgrund ihrer schweren Schweißbarkeit dann nicht verwendet werden können, wenn die Bauteile miteinander verschweißt werden sollen.

Mit Hilfe der Erfindung soll die Verwendung mechanisch sehr hochfester Stähle bei geschweißten Rotoren in Verbundbauweise ermöglicht werden.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenrotor, der aus einer axial aufeinanderfolgenden Anordnung von aneinandergeschweißten Bauteilen besteht, von denen jedes einen Schaufelträger, Schaufeln und mindestens einen rotationssymmetrischen axialen Vorsprung aufweist, an den ein entsprechender axialer Vorsprung eines benachbarten Bauteils angeschweißt ist. Ein solcher Turbinenrotor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Vorsprung aus einem Stahl besteht, der von dem Stahl, aus dem der Schaufelträger besteht, verschieden ist, wobei der axiale Vorsprung mit diesem Schaufelträger durch eine ebenfalls aus Stahl bestehende Übergangszone verbunden ist.

Der den Vorsprung bildende Stahl kann insbesondere einen geringeren Kohlenstoffgehalt und, im Fall von schwachlegierten Nickelstählen, einen geringeren Nickelgehalt aufweisen als der Stahl, aus dem der Schaufelträger besteht; hier durch werden dem Vorsprung gute Schweißeigenschaften verliehen Der Stahl für den axialen Vorsprung kann mit Hilfe eines Verfahrens gewonnen werden (Vakuumschmelzen, Elektroschlackenum-

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schmelzen), das einen von Feststoff- und Gasverunreinigungen freien Stahl ergibt, der aufgrund seiner Reinheit besser schweißbar ist. Diese Tatsache ist vor allem beim Einsatz des ElektronenstahlSchweißens von Vorteil.

Man kann beispielsweise für den Vorsprung einen Stahl mit einem maximalen Kohlenstoffgehalt von O,23% und mit 1,5% Nickel und für den Schaufelträger einen Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil (Anteil von mehr als 0,26%) und mit einem Nickelanteil von 3,5% verwenden.

Der die Übergangszone bildende Stahl ist vorzugsweise ein Stahl, dessen Nickelgehalt zwischen dem des Stahls für den Vorsprung und dem des Stahls für den Schaufelträger liegt. Diese Übergangszone läßt sich insbesondere mit Hilfe einer Abschmelzelektrode herstellen. Die Zone kann zwischen zwei geschmiedeten Blöcken gebildet werden, die, nachdem sie miteinander verbunden worden sind, von neuem geschmiedet und einer Wärmebehandlung unterzogen werden.

drei Unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen

Figuren wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen geschweißten Rotors sowie ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens für diesen Rotor beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Dampfturbinenrotor .

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Teil dieses Schnitts in der Umgebung der Schweißstelle zwischen zwei Rotorbauteilen.

Fig. 3 stellt den Schnitt durch einen Rohblock dar, aus dem anschließend eines der Bauteile des Rotors gefertigt wird.

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Der in Pig. 1 gezeigte Rotor besteht aus vier

Bauteilen j zwei Wellenenden 1 und 2 und zwei Schaufeiträgern 3 und 4, die untereinander bzw. mit den Wellenenden verschweißt sind. An den Wellenenden 1 und 2 besteht der Schaufelträger aus je einer Scheibe 5 bzw. 6, die die Schaufeln trägt, und an den Schaufelträgern 3 und 4 sind je vier Scheiben 7,8, 9, 10, bzw. 11, 12, 13, 14 vorgesehen, auf denen die Schaufeln sitzen.

Die Bauteile besitzen axiale Vorsprünge 15, 16, 17, 18, 19 und 20, die praktisch ringförmig ausgebildet sind. Der an die Schaufelträgerscheibe 5 anschließende axiale Vorsprung 15 ist an einer Stelle 21 mit dem dem Schaufelträger 3 benachbarten axialen Vorsprung 16 verschweißt; der axiale Vorsprung 17, der mit dem Schaufelträger 3 fest verbunden ist, ist an einer Stelle 22 an den dem Schaufelträger 4 benachbarten axialen Vorsprung 18 geschweißt. Schließlich ist der dem Schaufelträger 4 auf der anderen Seite zugeordnete axiale Vorsprung 19 an einer Stelle 23 an den dem Schaufelträger 6 zugeordneten axialen Vorsprung 20 geschweißt.

Die Bauteile 1, 3, 4, 2 bestehen beispielsweise aus schwach nickellegiertem Stahl mit 0,3% Kohlenstoff und 3,5% Nickel. Für die Vorsprünge 15, 16, 17, 18, 19, 20 wird beispielsweise ein Stahl mit 0,2% Kohlenstoffgehalt und 1,5% Nickelgehalt verwendet; sie stehen mit den Blöcken, zu denen sie gehören, über Übergangszonen 24, 25, 26, 27, 28, 29 aus Stahl mit 2,5% Nickelgehalt in Verbindung. Die Fig. 2 zeigt in Vergrößerung die Verbindung zwischen dem Wellenende 1 und dem Schaufelträger 3. So bestehen die Rotorbereiche, die den

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höchsten mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, insbesondere die unter den Schaufelträgerscheiben liegenden Zonen, aus einem hochfesten Stahl. Die Bereiche, in denen die den Rotor bildenden Bauteile miteinander befestigt sind und deren Aufbau mit Hilfe von Abrundungen und Auskehlungen so vorgesehen ist, daß diese Bereiche nicht in den Einflußbereichen der Schaufelträgerscheiben liegen, bestehen dagegen aus mittelfestem Stahl, der jedoch bessere Schweißeigenschaften aufweist.

Um ein Bauteil wie beispielsweise den Ring herzustellen, kann man folgendes Verfahren anwenden: Wie in Fig. gezeigt, geht man von drei zylinderförmigen geschmiedeten Blöcken oder Rohlingen 30, 31, 32 mit einem Ümformungskoeffizienten von etwa 2 aus, die beispielsweise aus einem Stahl mit O,2% Kohlenstoffgehalt und 1,5% Nickelgehalt, einem Stahl mit etwa 0,3% Kohlenstoffgehalt und 3,5% Nickelgehalt bzw. einem Stahl mit 0,2% Kohlenstoffgehalt und 1,5% Nickelgehalt gebildet werden; nach Abtrennung ihrer Schmiedewülste werden sie so bearbeitet, daß man ebene Flächen erhält, die sich gegenüber liegen : 33 und 34 bzw. 35 und 36. Die Vorblöcke 30, 31 und 32 haben denselben Durchmesser.

Die Frontflächen 33 und 34 werden durch ein Schweißverfahren, das sogenannte Stromdurchflußschmelzen, miteinander verbunden, das darin besteht, den Raum 37 zwischen den Frontflächen 33 und 34, die etwa hundert Millimeter auseinanderliegen, durch Umschmelzen ausgehend von plattenförmigen Abschmelzelektroden zu füllen. Ebenso werden die Frontflächen

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35 und 36 ausgehend von plattenförmigen Abschraelzelektroden, die den Raum 38 ausfüllen, miteinander verbunden. Die so erzielten Zylinder 37 und 38 bestehen aus Stahl mit beispielsweise 2,5% Nickelgehalt.

Nach Verbindung der Blöcke 30, 31 und 32 wird das so erhaltene Gebilde mit einem Umformungskoeffizienten von etwa 2,2 bis 2,5 von neuem geschmiedet, um so genau wie möglich die Abmessungen des vorbearbeiteten Bauteils (kleinschraffiert angedeutet) zu erreichen. Das dem abschließenden Recken des Rotors vorangehende Neuschmieden der Schweißstelle stellt einen besonders nützlichen Arbeitsvorgang für die Kornverfeinerung der hier zum Einsatz kommenden Stähle dar, insbesondere im Bereich des während des Schweißvorgangs unter Wärmeeinfluß stehenden Metalls. Anschließend wird der so erhaltene Rotor entkrustet und auf seine Rohteilabmessungen gebracht und schließlich einer Wärmebehandlung unterworfen, die zwischen derjenigen liegt, die für den Stahl des Blocks 31, und der die für den Stahl der Blöcke 30 und 32 empfohlen wird.

Das Herstellungsverfahren für die Bauteile mit den Scheiben 5 und 6 verläuft ähnlich, wobei jedoch nur zwei Blöcke anstelle von dreien, wie sie für die Bauteile 3 und 4 benötigt werden, zusammengefügt werden.

Nach der Fertigstellung besteht jedes so erhaltene Rotorbauteil zum größten Teil aus einem mechanisch hochfesten Stahl, jedoch, soweit die axialen Vorsprünge betroffen sind, aus einem mechanisch mittelfeste^ aber gut schweißbaren Stahl, wobei die Übergangsbereiche sowohl in den mechanisch hochfesten Stahl als auch in den Stahl der der Schweißwärme.ausgesetzten axialen Vorsprünge reichen.

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Claims

PATENTANS PRÜCHE

Turbinenrotor, der aus einer axial aufeinanderfolgenden Anordnung von aneinandergeschweißten Bauteilen besteht, von denen jedes einen Schaufelträger, Schaufeln und mindestens einen rotationssymmetrischen axialen Vorsprung aufweist, an den ein entsprechender axialer Vorsprung eines benachbarten Bauteils angeschweißt ist,d a d u r c h gekennzeichnet, daß der axiale Vorsprung (15, 16, 17, 18, 19, 20) aus einem Stahl besteht, der von dem Stahl, aus dem der Schaufelträger besteht, verschieden ist, wobei der axiale Vorsprung mit diesem Schaufelträger durch eine ebenfalls aus Stahl bestehende Übergangszone (24, 25, 26, 27, 28, 29) verbunden ist.

2 - Turbinenrotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl, aus dem der axiale Vorsprung (z.B. 16) gebildet wird, einen Kohlenstoffgehalt sowie, im Falle eines schwach nickellegierten Stahls, einen Nickelgehalt aufweist, der kleiner ist als der des Stahls, aus dem der Schaufelträger (z.B. 3) besteht.

3 - Turbinenrotor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl, der die Übergangszone bildet, einen Nickelgehalt aufweist, der zwischen dem des den axialen Vorsprung bildenden Stahls und dem des den Schaufelträger bildenden Stahls liegt.

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4 - Turbinenrotor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den axialen Vorsprung bildende Stahl einen Kohlenstoffgehalt von weniger oder gleich 0,23% und einen Nickelgehalt von weniger oder gleich 1,5% aufweist, während der den Block bildende Stahl einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,26% und einen Nickelgehalt von 3,5% aufweist.

5 - Herstellungsverfahren für einen Turbinenrotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich durch Schweißen mit einer Abschmelzelektrode erhalten wird.

6 - Herstellungsverfahren eines Turbinenrotors gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich zwischen zwei geschmiedeten Stahlblöcken (30, 31, 32) gebildet wird, die nach ihrer Zusammenfügung von neuem geschmiedet und einer Wärmebehandlung unterzogen werden.

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