CH644433A5 - Dampfturbinen-laufschaufel. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dampfturbinen-Lauf-schaufel mit einer erosionsfesten Platte.

Der gegenwärtige Trend zu erhöhter Leistungsfähigkeit und grösserer Kompaktheit von Dampfturbinen resultiert in einem Bedarf nach längeren Laufschaufeln der Endstufe im Niederdruckteil der Dampfturbine, wodurch wiederum die die Laufschaufeln während des Umlaufens des Rotors beaufschlagenden Fliehkräfte so stark ansteigen, dass die Festigkeit von 12%igem Cr-Stahl, dem typischen herkömmlichen Werkstoff für Dampfturbinen-Laufschaufeln, nicht ausreicht.

Wie noch erläutert wird, kann die grösste durch die Fliehkraft in der Laufschaufel erzeugte mechanische Beanspruchung praktisch auf die Hälfte vermindert werden, wenn als Werkstoff für die Laufschaufel statt des normalerweise eingesetzten 12%igen Cr-Stahls eine Ti-Legierung verwendet wird.

Es ist daher eine derzeit übliche Massnahme, eine Ti-Le-gierung als Werkstoff für die Laufschaufeln der Endstufe im Niederdruckteil der Dampfturbine zu verwenden. Wenn für diesen Zweck eine Ti-Legierung eingesetzt wird, wird eine erosionsfeste Platte an die Vorderkante jeder Laufschaufel angeschweisst, um die Laufschaufel gegen Erosion zu schützen, die durch im Dampf enthaltene Verunreinigungen hervorgerufen wird.

Normalerweise besteht diese erosionsfeste Platte aus Co-W-Legierungsstahl. Da dieser Legierungsstahl ein spezifisches Gewicht von 8-8,5 hat, das also etwa zweimal so hoch wie dasjenige der Ti-Legierung ist, werden am Fussteil der erosionsfesten Platte sehr hohe mechanische Beanspruchungen erzeugt. Um diese zu vermindern, wurde bereits vorgeschlagen, am Fussteil der erosionsfesten Platte eine Vorwölbung vorzusehen, die von der Vorderkante der Laufschaufel zur Dampfeintrittsseite vorsteht, um so die Laufschaufelbreite zu vergrössern und die am Fussteil der erosionsfesten Platte erzeugten mechanischen Spannungen zu vermindern.

Bei dieser Massnahme muss jedoch die genannte Auswölbung relativ gross sein, damit die Schaufelbreite ausreichend s gross wird, um eine drastische Steigerung der Spannungen am Fussteil der erosionsfesten Platte gleichmässig zu beseitigen. Dies hat nachteiligerweise eine starke Verminderung des Tur-binen-Wirkungsgrads infolge von Profilverlusten zur Folge. Ferner wird die Erosion an der an der Vorderkante der Lauf-10 schaufei gebildeten Auswölbung stärker. Ausserdem tritt eine stärkere Verformung der Laufschaufel beim Schweissen auf aufgrund der grösseren Schweissstellenlänge zwischen der erosionsfesten Platte und der aus Ti-Legierung bestehenden Laufschaufel.

is Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Dampftur-binen-Laufschaufel, bei der die in der Laufschaufel nahe dem Fussteil der erosionsfesten Platte auftretenden mechanischen Beanspruchungen ohne Profilverlust der Laufschaufel vermindert werden.

20 Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Massnahmen gelöst. Durch diese Konstruktion der Laufschaufel werden die an den Laufschaufelteilen nahe dem Fuss der erosionsfesten Platte auftretenden mechanischen Beanspruchungen vermindert.

2s Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Laufschaufellänge einer herkömmlichen Dampfturbinen-Laufschaufel und der in der Laufschaufel auftretenden maxi-30 malen mechanischen Beanspruchung zeigt;

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels der Laufschaufel aus Ti-Legierung;

Fig. 3 eine Schnittansicht III-III nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht IV-IV nach Fig. 2; und 35 Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Länge der Laufschaufel nach der Erfindung und der in ihr auftretenden mechanischen Beanspruchung zeigt.

Fig. 1 zeigt die Höchstspannungen, die in Laufschaufeln mit einer Länge zwischen 0,6604 und 1,016m infolge der bei 40 einer Drehzahl von 3600 U/min erzeugten Fliehkraft auftreten. Die höchste zulässige Spannung für 12%igen Cr-Stahl ist durch eine Strichlinie wiedergegeben. Es ist ersichtlich, dass 12%iger Cr-Stahl nur für Laufschaufeln mit einer Länge von höchstens 0,8509 m einsetzbar ist. Wenn die Laufschaufel je-45 doch länger als 1,016 m ist, übersteigt die in ihr auftretende höchste mechanische Beanspruchung die höchstzulässige mechanische Beanspruchung. Aus diesem Grund wird als Laufschaufelwerkstoff bei grosser Schaufellänge eine Ti-Legierung mit 5-6% Aluminium eingesetzt. Ti-Legierung hat ein spezifi-50 sches Gewicht von 4,4-4,5, also etwa halb so viel wie 12%iger Cr-Stahl, so dass die höchste mechanische Spannung in der Laufschaufel beinahe auf die Hälfte verminderbar ist (vgl. Strichlinie in Fig. 1).

Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel 55 der Dampfturbinen-Laufschaufel erläutert.

Normalerweise wird die in der Laufschaufel erzeugte Fliehkraft als ein Produkt der Masse, des Radius und des Quadrats der Winkelgeschwindigkeit gegeben. Somit erhöht sich die Fliehkraft proportional zum Radius. Da jedoch die 60 Laufschaufel in Richtung auf ihr radial äusseres Ende schmaler ist, wird die Zunahme des Schaufelgewichtes zum radial äusseren Ende hin geringer. Die in der Laufschaufel durch die Fliehkraft erzeugte mechanische Beanspruchung ist eine Funktion des Querschnittsbereichs der Laufschaufel. Daher 65 ist es möglich, die mechanischen Beanspruchungen an dem Laufschaufelteil nahe dem Fuss der erosionsfesten Platte dadurch zu vermindern, dass der Querschnittsbereich der Laufschaufel in diesem Teil vergrössert wird. In diesem Zusam

menhang ist zu beachten, dass es für einen guten Wirkungsgrad der Laufschaufel erforderlich ist, dass ihre Vorderkante vom radial inneren Ende zum radial äusseren Schaufelende über die Gesamtlänge eine sanfte Wölbung hat, um die ursprüngliche Form des Schaufelprofils aufrechtzuerhalten.

Im vorliegenden Fall werden in Dickenrichtung der Laufschaufel vorstehende Auswölbungen gebildet, um sowohl die erforderliche Spannungsverminderung an dem Laufschaufelteil nahe dem Fuss der erosionsfesten Platte als auch die Aufrechterhaltung der ursprünglichen Form des Schaufelprofils zu erzielen.

Fig. 2 zeigt die Form der Dampfturbinen-Laufschaufel. Dabei weist die Laufschaufel 2 aus Ti-Legierung wie im Fall der herkömmlichen Laufschaufel an der Vorderkante des radial äusseren Schaufelteils eine erosionsfeste Platte 1 auf, die aus Co-W-Legierungsstahl besteht und mittels einer Schweissverbindung 4 an der Schaufel befestigt ist. Dabei weist jedoch die Laufschaufel 2 nahe dem Fuss la der erosionsfesten Platte 1, wo die Platte 1 an dem dem Turbinenrotor näheren Ende an der Laufschaufel 2 befestigt ist, Auswölbungen 7 auf, die von beiden Seiten der Laufschaufel in deren Dickenrichtung vorstehen. Jede Auswölbung 7 hat eine gewölbte Oberfläche und Bogenquerschnitt. Die Form der Auswölbungen 7 ist insbesondere aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich.

Nach Fig. 3 ist die Dicke der erosionsfesten Platte 1 im wesentlichen gleich derjenigen der Laufschaufel 2 aus Ti-Legierung, und zwar über die Länge der Platte 1 zwischen einem Punkt radial ausserhalb des Fussteils la und dem radial äus-sersten Ende der Platte 1. Die Laufschaufel 2 ist mit den Auswölbungen 7 versehen, die von beiden Schaufelseiten nahe dem Fuss la der erosionsfesten Platte in Dickenrichtung der Laufschaufel 2 vorstehen. Infolgedessen ist (vgl. Fig. 4) die grösste Dicke t2 des Teils der Laufschaufel 2, an dem die Auswölbung 7 gebildet sind, grösser als die grösste Dicke t] der erosionsfesten Platte 1. Durch Ausbilden der Auswölbungen 7 mit Bogenquerschnitt hat die Laufschaufel 2 an dem Teil nahe dem Fuss la der Platte 1 eine grössere Querschnittsfläche als an ihren anderen Teilen. Infolge dieses vergrösserten Querschnittsbereichs wird die unerwünschte starke Erhöhung der mechanischen Beanspruchungen nahe dem Fussteil la der Platte 1 praktisch vermieden.

Anschliessend wird die angegebene Laufschaufel mit den in Dickenrichtung der Schaufel vorstehenden Auswölbungen mit einer herkömmlichen Laufschaufel mit vergrösserter Schaufelbreite verglichen.

Dabei wird angenommen, dass eine Turbinen-Laufschaufel ursprünglich eine wirksame Länge von 1,016-1,044 m,

eine Gesamtbreite (einschliesslich der erosionsfesten Platte 1) von 1 m, eine mittlere Dicke von 0,008 m und eine Breite der Platte 1 von 0,015 m hat. Die mechanischen Beanspruchungen nahe dem Fuss la der erosionsfesten Platte 1 können auf einen Pegel vermindert werden, der im wesentlichen gleich dem Pegel der mechanischen Beanspruchungen um den Fuss la ist, wenn die mittlere Dicke der Laufschaufel an dem Laufschaufelteil, an dem die Auswölbungen 7 gebildet sind, auf ca. 0,012 m vergrössert wird, wenn Auswölbungen 7 mit Bogenquerschnitt entsprechend Fig. 4 vorgesehen werden. D.h., es genügt, die mittlere Dicke der Laufschaufel um ca. 0.004 m zu vergrössern. Dagegen muss bei der herkömmlichen Lauf-

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schaufei mit grösserer Schaufelbreite die Gesamtbreite der Laufschaufel auf 0,120 m vergrössert werden, indem in Breitenrichtung der Laufschaufel eine Auswölbung von ca. 0,020 m vorgesehen wird, um eine Querschnittsbereichs-Ver-5 grösserung zu erzielen, die derjenigen der angegebenen Laufschaufel äquivalent ist.

Für den Fachmann ist ersichtlich, dass eine solche Auswölbung in Breitenrichtung bei der herkömmlichen Laufschaufel eine beträchtliche Verminderung des Wirkungsgrads io infolge des Profilverlustes mit sich bringt.

Bei der angegebenen Laufschaufel wird die mechanische Spannung, die in dem Teil der Laufschaufel nahe dem Fuss la der erosionsfesten Platte 1 erzeugt wird, durch Vergrösse-rung mittels Auswölbungen 7 des Querschnittsbereichs des i5 Laufschaufelteils nahe dem Fuss la der erosionsfesten Platte 1 vermindert.

Die optimale Laufschaufeldicke ist durch die folgende Gleichung gegeben:

20

1,11, <t2<tj • (Ys/Yt)

mit t2=grösste Dicke der Laufschaufel an dem die Auswölbungen 7 aufweisenden Teil,

t] = grösste Dicke der erosionsfesten Platte 1, 25 Ys=spezifisches Gewicht der Platte 1, und

Yt=spezifisches Gewicht der Laufschaufel 2 aus Ti-Legie-rungsstahl.

Fig. 5 zeigt die Spannungsverteilungin der die Auswölbungen 7 aufweisenden Laufschaufel.

3o Daraus ist ersichtlich, dass die mechanischen Beanspruchungen in der Laufschaufel nahe dem Fuss la der erosionsfesten Platte 1 durch die Ausbildung der in Dickenrichtung vorgesehenen Auswölbung 7 stark vermindert werden im Gegensatz zu herkömmlichen Laufschaufeln, deren mechanische 35 Beanspruchungen durch die Strichlinienkurve bezeichnet sind.

Es ist also möglich, eine vorteilhafte Verteilung der mechanischen Beanspruchungen in der Laufschaufel durch Vorsehen der in Dickenrichtung vorstehenden Auswölbungen zu io erhalten. Ausserdem wird durch die geringe Vergrösserung der Schaufeldicke infolge der Bildung der Auswölbungen kein schlechterer Wirkungsgrad erhalten. Durch die grössere Laufschaufeldicke wird ferner die durch das Anschweissen der Platte 1 auftretende wärmebedingte Formänderung der 45 Laufschaufel vermindert. Auch ist es möglich, eine erosionsfeste Platte mit im wesentlichen geradliniger Form zu verwenden, wodurch wiederum eine einfache Herstellung der erosionsfesten Platte sowie eine Verminderung der Anzahl Arbeitsschritte bei der Herstellung der Laufschaufel möglich ist, 50 so dass eine Turbinen-Laufschaufel mit verbesserter Betriebssicherheit und erhöhter Zuverlässigkeit geschaffen wird.

Durch die angegebene Laufschaufel-Ausbildung werden also die in dem Laufschaufelteil nahe dem Fuss der erosionsfesten Platte auftretenden mechanischen Beanspruchungen 55 beträchtlich vermindert, ohne dass damit ein erhöhter Profilverlust der Laufschaufel verbunden ist, und zwar infolge der Vergrösserung des Querschnittsbereichs der Laufschaufel in diesem Teil aufgrund der in Dickenrichtung vorstehenden Auswölbungen.

C

2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

644433 PATENTANSPRÜCHE

1,1 t,<t2<t, • (Ys/Yt)

mit tj = grösste Dicke der erosionsfesten Platte (1),

Y2=spezifisches Gewicht der erosionsfesten Platte (1), und

Yt=spezifisches Gewicht der Laufschaufel (2).

1. Laufschaufel für Dampfturbinen mit einem Turbinenrotor, an dem eine Mehrzahl Laufschaufeln befestigt ist, die nach radial aussen verlaufen, wobei jede Laufschaufel an der Vorderkante ihres radial äusseren Endes eine erosionsfeste Platte trägt, dadurch gekennzeichnet,

- dass in Dickenrichtung der Laufschaufel (2) auf beiden Seiten eines Laufschaufelteils nach dem Fuss (la) am radial inneren Ende der erosionsfesten Platte (1) Auswölbungen (7) vorstehen,

-wobei die Laufschaufel (2) eine solche radiale Verteilung des Querschnittsbereichs aufweist, dass der Querschnittsbereich an dem Laufschaufelteil, an dem die Auswölbungen (7) in Dickenrichtung gebildet sind, grösser als an anderen Laufschaufelteilen, die diesem Laufschaufelteil in radialer Richtung benachbart sind, ist.

2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grösste Dicke t2 der Laufschaufel (2) an dem Teil, der die Auswölbungen (7) aufweist, der folgenden Bedingung genügt:

3. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Ti-Legierung besteht.

4. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede in Dickenrichtung gebildete Auswölbung (7) durch eine gewölbte Oberfläche mit Bogenquerschnitt profiliert ist.