Turbinenläufer für Arbeitsmittel hoher Temperatur. Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenläufer für Arbeitsmittel hoher Tem peratur, dessen Läuferkörper aus einem schmiedbaren Metall hergestellt ist und des sen Schaufeln durch Schweissung mit dem Läuferkörper verbunden sind.
In Turbinen mit hocherhitztem Arbeits mittel sind ganz besonders die Laufschaufeln durch Kriechvorgänge in ihrem hocherhitz ten, durch die Fliehkräfte sehr stark bela steten Baustoff gefährdet. Bei erhöhten Temperaturen des Baustoffes ergibt sieh nämlich selbst bei noch mässigen Spannun gen infolge von Formveränderungen des Korngrenzmaterials bezw. des Binders und des Kornes ein langsames aber dauerndes Fliessen des Baustoffes. Bleibt dieses Flie ssen unter einem bestimmten Mass, so ent steht für das Baustück keine Gefahr. Über schreitet aber das Kriechen im Laufe des Betriebes das zulässige Mass, so entstehen im Baustoff Brüche, die zur Zerstörung des Baustoffes führen.
Die Bruchgefahr ist um so grösser, je höher die Temperaturdes Bau stückes ist.
Die Laufschaufeln eines Turbinenläufers sind darum noch weiter gefährdet weil sie nicht gekühlt werden können. Die durch die Fliehkräfte entstehenden Spannungen dürfen die Zeitstandfestigkeit des Baustoffes nicht überschreiten, oder innerhalb der Betriebs zeit der Turbine darf das Kriechen der Schaufeln nicht zu deren Bruch führen. Für hocherhitzte Turbinenschaufeln muss ent- wederdie Zeitstandfestigkeit des Baustoffes erhöht werden, oder es muss das: spezifische Gewicht des Baustoffes klein sein, um die durch die Fliehkräfte entstehenden Span nungen zu verkleinern.
Die Erfindung besteht darin,- dass die am Läuferkörper angeschweissten Schaufeln durch Sinterung hergestellt sind.
Bei der Herstellung von Turbinenschau feln durch Sinterung des Baustoffes ge lingt es, durch Einhalten bestimmter Sinter- temperaturen und durch geeignete Wahl der Stoffe die Beschaffenheit des Korngrenz- materials so zu beeinflussen, dass eine bedeu tend höhere Zeitstandfestigkeit erreicht wird als beim Giessen der Schaufeln. Darüber hin aus ist es auch möglich, durch geeignete Wahl des Kornmaterials das spezifische Ge wicht der Schaufeln möglichst klein zu halten.
Zweckmässigerweise ist der Läuferkörper mit einer Kühlvorrichtung ausgerüstet. Auf diese Art wird es möglich, selbst bei sehr hoch beanspruchten Turbinenläufern den Läuferkörper vor Kriechvorgängen zu schüt zen.
Es ist an sich bekannt, Läuferkörper aus schmiedbarem Metall herzustellen oder Kühl räume in .dem Läuferkörper vorzusehen oder schliesslich Turbinenschaufeln durch Sinte- rung aus einem Material des Spinelltyps, z. B. aus Leichtmetallverbindungen, herzu stellen. Hierbei ist zu beachten:, dass die Turbinenschaufel, -welche aus einem Mate rial des Spinelltyps hergestellt ist, mit dem Turbinenläufer nicht verschweisst werden kann, weil nach dem derzeitigen Stand der Technik ein porzellanähnlicher Körper mit Metall sich nur auf mechanischem Weg ver binden lässt, ein geeignetes Schweissverfah ren aber nicht zur Verfügung steht.
Wird eine porzellanähnliche Turbinenschaufel auf mechanischem Weg mit einem Läuferkörper verbunden, so entstehen infolge von nie zu vermeidenden Biegebeanspruchungen hohe zusätzliche Spannungen, durch welche für die an sich schon sehr spröden und zudem bei den höheren Temperaturen geschwächten Schaufeln die Bruchgefahr erst recht erhöht wird.
In der Schweissverbindung der Schaufel mit dem Läuferkörper werden die Flieh kräfte der Schaufel im wesentlichen durch Zugbeanspruchung auf den Läuferkörper übertragen. Die hohen zusätzlichen Span nungen, welche durch die Biegebeanspru chung bei der mechanischen Befestigung von porzellanähnlichen Schaufeln entstehen wür den, werden dadurch vermindert und gleich zeitig die Sprödigkeit des Schaufelbaustoffes herabgesetzt. Erst hierdurch entsteht die Möglichkeit, einen Turbinenläufer für hohe Temperaturen herzustellen.
In vielen Fällen kann eine weitere wesentliche Verbesserung erzielt werden, wenn die Schaufeln elektrisch, z. B. mit Hilfe von Mantelelektroden, am Läuferkör per angeschweisst sind.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs gegenstandes ist auf der Zeichnung in Fig. 1 im Längsschnitt und in Fig. ? zum Teil in Vorderansicht und zum Teil im Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 darge stellt.
Der Körper des Läufers wird aus einer Anzahl von Scheiben. 1 gebildet, die mit den Nabenstücken 2 der Achsstummel 3 verbun den sind. Die Verbindung der Scheiben un ter sich und mit den Nabenstücken erfolgt. durch Schweissnähte 4. Durch die Bohrung 5 des einen Achsstummels 3 wird ein Kühl mittel, zum Beispiel Luft oder ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit zugeführt, welches durch die Räume 6 und die Bohrungen 7 hindurchströmt und durch die Bohrung 8 ab geführt wird. An jeder Scheibe 1. ist ein Kranz von Laufschaufeln 9 befestigt.
Der Läuferkörper ist aus einem schmied baren Metall hergestellt, dessen Temperatur durch das Kühlmittel innerhalb des zulässi gen Bereiches gehalten wird. Die Schaufeln 9, die nicht gekühlt werden können und deshalb durch die Berührung mit dem hoch erhitzten Arbeitsmittel sehr hohe Tempera turen annehmen, sind durch Sinterung herge stellt und durch Verschweissung an den Stel- Ien 10 mit den Scheiben verbunden. Die zum Sintern der Schaufeln verwendeten Ausgangsstoffe sind so gewählt, dass die Schaufeln eine besonders grosse Zeitstand festigkeit oder ein. niedriges spezifisches Ge wicht erhalten.
Sowohl für die Scheiben 1 als auch für die Nabenstücke 2 des Läufers bewirken die tangentialen Kräfte des geschlossenen Rin ges eine Verstärkung, -weil sie die radialen Zugkräfte und damit die radialen Spannun gen vermindern. Ausserdem kann die Tem peratur des Läufers infolge der Kühlung tief genug gehalten werden, um bei den im Be trieb sieh einstellenden Beanspruchungen noch eine genügende Sicherheit gegen ein unzulässiges Kriechen des Baustoffes zu er reichen. Die radialen Spannungen der Schau feln 9 können umgekehrt durch Ringkräfte nicht vermindert werden, weil sie in Rich tung des Umfanges keinen Zusammenhang aufweisen.
Die Schaufeln erleiden im Be trieb nicht nur eine grosse radiale Zug beanspruchung, sondern nehmen auch wegen des Fehlens einer Kühlung eine hohe Tempe ratur an. Da die Schaufeln durch Sinterung hergestellt werden, können nicht nur alle Bearbeitungsschwierigkeiten. beseitigt wer den, sondern es wird auch eine höhere Zeit standfestigkeit erreicht als bei der Herstel lung solcher Bauteile aus gegossenem und gewalztem Material. Ausserdem können bei Verminderung .des spezifischen Gewichtes die durch die Fliehkräfte erzeugten Span nungen verkleinert werden.
In den Schweissnähten 10 ergibt sich ein Kräftefluss, welcher weder durch Zusam- mendrängung noch durch Umlenkung die bei den hohen Temperaturen im Zusammenhang mit den Kriechbeanspruchungen hochspröden Schaufeln gefährden könnte.
Für zu sinternde Turbinenschaufeln kann zum Beispiel die folgende Zusammensetzung gewählt werden: 0-1,0 % Titan 10-3'0 % Chrom 25-40 % Nickel 20r25 % Kobalt 0r20,% Wolfram Rest Eisen. Die einzelnen Bestandteile müssen fein gepulvert sein. Die Korngrösse des Pulvers kann sich in .den Grenzen von %ooo bis /..o mm bewegen. Die verschiedenen Be standteile sind zunächst in Pulverform fein zu mischen.
Nachdem eine möglichst feine und gleichmässige Mischung erreicht ist, wird das Pulver unter sehr hohem Druck meist kalt in Formen gepresst, welche den gewünschten Schaufeln entsprechen. In be sondern Fällen kann es sich empfehlen, schon dieses Pressen unter erhöhter Temperatur durchzuführen. Es kann hierbei schon ein Vorsintern erreicht werden. Durch die hohe Pressung erhält das Pulver schon einen so starken Zusammenhalt, dass der Formling ohne zerstört zu werden oder seine Form zu verlieren, gefasst und transportiert werden kann.
Anschliessend an das Pressen werden die Formlinge dann in einem Sinterofen der notwendigen Sintertemperatur ausgesetzt. Die Höchsttemperaturen können im Bereich von 1000 und<B>1500'</B> C liegen. Bei der Er wärmung der Formlinge auf diese Höchst temperatur muss ein bestimmtes zeitliches Programm eingehalten werden, welches sich im einzelnen aus Versuchen bestimmen lässt, um die Sintervorgänge der einzelnen Metall bestandteile geeignet zu lenken. Unter Um ständen können die einzelnen Ausgangs bestandteile schon in Form einer pulverisier ten Legierung gewählt werden..
Turbine runner for high temperature working fluids. The invention relates to a turbine runner for work equipment of high tem perature, the runner body is made of a malleable metal and the sen blades are connected to the runner body by welding.
In turbines with a highly heated working medium, the rotor blades are particularly endangered by creep processes in their highly heated building material, which is very heavily loaded by the centrifugal forces. At elevated temperatures of the building material see namely even with moderate stresses conditions due to changes in shape of the grain boundary material BEZW. the binder and the grain a slow but continuous flow of the building material. If this flow remains below a certain level, there is no danger for the component. If, however, the creep exceeds the permissible level in the course of operation, fractures occur in the building material, which lead to the destruction of the building material.
The higher the temperature of the component, the greater the risk of breakage.
The rotor blades of a turbine rotor are therefore even more at risk because they cannot be cooled. The stresses caused by the centrifugal forces must not exceed the creep strength of the building material, or the creeping of the blades must not lead to breakage during the turbine operating time. For highly heated turbine blades, either the creep strength of the building material must be increased, or the specific weight of the building material must be small in order to reduce the stresses caused by centrifugal forces.
The invention consists in that the blades welded to the rotor body are produced by sintering.
When manufacturing turbine blades by sintering the building material, it is possible to influence the nature of the grain boundary material by maintaining certain sintering temperatures and by selecting the appropriate materials so that a significantly higher creep strength is achieved than when casting the blades. In addition, it is also possible to keep the specific weight of the blades as small as possible through a suitable choice of the grain material.
The rotor body is expediently equipped with a cooling device. In this way it is possible to protect the rotor body from creep processes even in the case of very highly stressed turbine rotors.
It is known per se to manufacture rotor bodies from malleable metal or to provide cooling spaces in the rotor body or, finally, to sinter turbine blades from a material of the spinel type, e.g. B. from light metal compounds to provide herzu. It should be noted that the turbine blade, which is made of a material of the spinel type, cannot be welded to the turbine rotor, because according to the current state of the art, a body similar to porcelain can only be connected to metal by mechanical means, however, a suitable welding process is not available.
If a porcelain-like turbine blade is mechanically connected to a rotor body, high additional stresses arise as a result of bending stresses that cannot be avoided, which increases the risk of breakage for the blades, which are already very brittle and also weakened at higher temperatures.
In the welded connection of the blade to the rotor body, the centrifugal forces of the blade are essentially transmitted to the rotor body by tensile stress. The high additional stresses that arise from the bending stress in the mechanical fastening of porcelain-like blades are thereby reduced and at the same time the brittleness of the blade building material is reduced. Only then does it become possible to manufacture a turbine runner for high temperatures.
In many cases, a further substantial improvement can be achieved if the blades are electrically, e.g. B. with the help of jacket electrodes, are welded to the Läuferkör.
An embodiment of the subject invention is on the drawing in Fig. 1 in longitudinal section and in Fig.? partly in front view and partly in cross section along the line II-II of FIG. 1 Darge provides.
The body of the runner is made up of a number of discs. 1 formed, the verbun with the hub pieces 2 of the stub axle 3 are the. The connection between the disks and with the hub pieces takes place. through welds 4. Through the bore 5 of a stub axle 3, a cooling medium, for example air or another gas or liquid, is supplied, which flows through the spaces 6 and the bores 7 and is passed through the bore 8 from. A ring of rotor blades 9 is attached to each disk 1.
The rotor body is made of a forging ble metal, the temperature of which is kept by the coolant within the allowable range. The blades 9, which cannot be cooled and therefore assume very high temperatures due to contact with the highly heated working medium, are manufactured by sintering and are connected to the disks by welding at the points 10. The raw materials used for sintering the blades are selected so that the blades have a particularly high creep strength or a. get low specific Ge weight.
Both for the disks 1 and for the hub pieces 2 of the rotor, the tangential forces of the closed ring cause a gain, because they reduce the radial tensile forces and thus the radial stresses. In addition, the tem perature of the rotor can be kept low enough as a result of the cooling, in order to achieve sufficient security against inadmissible creep of the building material in the case of the stresses that are set in operation. The radial stresses of the blades 9 can not conversely be reduced by ring forces because they have no connection in Rich direction of the circumference.
The blades not only suffer great radial tensile stress during operation, but also take on a high temperature due to the lack of cooling. Since the blades are made by sintering, not only can all machining difficulties. Eliminated who the, but it is also a higher fatigue life is achieved than in the production of such components from cast and rolled material. In addition, when the specific weight is reduced, the tensions generated by the centrifugal forces can be reduced.
In the weld seams 10 there is a flow of forces which could endanger the blades, which are highly brittle at the high temperatures in connection with the creep stresses, neither by crowding together nor by deflection.
For example, the following composition can be selected for turbine blades to be sintered: 0-1.0% titanium 10-3.0% chromium 25-40% nickel 20r25% cobalt 0r20,% tungsten, remainder iron. The individual components must be finely powdered. The grain size of the powder can vary from% ooo to /..o mm. The various components must first be mixed finely in powder form.
After a mixture that is as fine and uniform as possible has been achieved, the powder is pressed under very high pressure, usually cold, into molds that correspond to the desired blades. In some cases it can be advisable to carry out this pressing at an elevated temperature. Pre-sintering can already be achieved here. The high pressure gives the powder such a strong cohesion that the molding can be grasped and transported without being destroyed or losing its shape.
Subsequent to pressing, the briquettes are exposed to the necessary sintering temperature in a sintering furnace. The maximum temperatures can be in the range of 1000 and <B> 1500 '</B> C. When heating the briquettes to this maximum temperature, a certain time schedule must be adhered to, which can be determined in detail from experiments in order to steer the sintering processes of the individual metal components appropriately. Under certain circumstances, the individual starting components can already be selected in the form of a pulverized alloy.