CH647444A5

CH647444A5 - Verfahren zum herstellen einer wassergekuehlten turbinenleitschaufel.

Info

Publication number: CH647444A5
Application number: CH9349/80A
Authority: CH
Inventors: Myron Clyde Muth; William Frederick Schilling; Edwin Laverne Teaney; Leo Charles Willmott
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1979-12-26
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1985-01-31
Also published as: GB2066113A; GB2066113B; JPS6237203B2; DE3048260A1; JPS56107903A; US4283822A

Description

Die Erfindung schafft ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von wassergekühlten Turbinenleitschaufeln (Turbinendüsen), das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

a) Herstellen eines geschmiedeten oder gegossenen Kupfer- oder Kupferlegierungsflügelprofilkernes mit sich in Längsrichtung erstreckenden Durchgangslöchern an vorbestimmten Stellen und Einsetzen einer ersten Anzahl von Kühlrohren in die Löcher;

b) Herstellen einer oberen Stirnwand, die einen Verbundaufbau aus einer ersten oberen Schicht aus rostfreiem Stahl und einer ersten unteren Schicht aus Kupfer mit hoher Wärmeleitfähigkeit, welches aus MetaHpulver verfestigt worden ist, hat und eine zweite Anzahl von Kühlrohren aufweist, die in die erste untere Schicht eingebettet sind und sich durch die erste obere Schicht erstrecken;

c) Herstellen einer unteren Stirnwand, die einen Verbundaufbau aus einer zweiten unteren Schicht aus rostfreiem Stahl und einer zweiten oberen Schicht aus eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisendem Kupfer, das aus Metallpulver verfestigt worden ist, hat und eine

5 dritte Anzahl von Kühlrohren aufweist, die in die zweite obere Schicht eingebettet sind und sich durch die zweite untere Schicht erstrecken;

d) Vorformen einer korrosionsbeständigen äusseren Hülle in der Gestalt eines hohlen Körpers, der an beiden Enden offen ist und im we-

io sentlichen die äusseren Abmessungen der Leitschaufel hat;

e) Einsetzen der unteren Stirnwand, des Flügelprofilkernes und der oberen Stirnwand in den hohlen Umhüllungskörper und Miteinan-derverbinden beider Stirnwände und des Flügelprofilkernes durch mehrere Holmstangen;

15 f) Verschweissen der Holmstangen, der Kühlrohre und des Umhüllungskörpers mit den Stirnwänden zu einer Baugruppe;

g) Absaugen der Luft aus der Baugruppe und Verschliessen derselben unter Vakuum;

h) Diffusionsbinden der Baugruppe durch isostatisches Heisspressen, 20 und i) spanabhebendes Bearbeiten der in sich verbundenen Baugruppe, um die fertige Leitschaufel herzustellen.

Die Hauptbedeutung des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, dass zum Erzielen einer ausreichenden Kühlung des Gasturbi-25 nenleitschaufelkranzes bei den Betriebsbedingungen die Kühlrohre in ein wärmeleitendes Metall wie z.B. Kupfer, eingebettet sein müssen. Die Gestaltung des Kupferteils durch ein Giess- oder Schmiede-verfahren führt jedoch zu einem wesentlich stabileren Produkt als bei Verwendung des bekannten Pulvermetallurgieverfahrens, wel-30 ches im allgemeinen zu Kupferlegierungen mit geringeren Festigkeiten führt. Das ist für den Flügelprofilabschnitt der Leitschaufel besonders wichtig, wo hohe Zugfestigkeiten zum Aushalten der hohen Wärmespannungen im Betrieb erforderlich sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter 35 Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer und teilweise aufgebrochener Darstellung eine Verbundleitschaufel für wassergekühlte Gasturbinen, die gemäss dem Verfahren nach der Erfindung diffusionsgebunden 40 worden ist,

Fig. 2 eine Ansicht des aus Kupfer gegossenen Flügelprofilkerns mit vorgebohrten Löchern für die Leitschaufel von Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht der oberen Verbundstirnwand für die Leitschaufel von Fig. 1,

45 Fig. 4 eine Ansicht der oberen Verbundstirnwand für die Leitschaufel von Fig. 1, und

Fig. 5 eine Ansicht der vorgeformten Hülle für die Leitschaufel von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Verbundleitschaufel bzw. Düse 10 für wasserge-50 kühlte Hochtemperaturgasturbinen, die durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellt worden ist. Die Leitschaufel 10 besteht aus einem geschmiedeten oder gegossenen Flügelprofilkern 12 aus Kupfer, in welchem eine erste Anzahl von Kühlrohren 14 in Längslöcher eingebettet sind. Über dem Kern 12 befindet sich eine obere Stirn-55 wand 24 mit einem Verbundaufbau, der, ähnlich wie bei einer unteren Stirnwand 16, aus einer ersten Schicht aus gut wärmeleitendem Metall, die in Fig. 4 mit 26 bezeichnet ist, und aus einer zweiten, tragenden und korrosionsbeständigen Schicht 28 aus rostfreiem Stahl besteht. Eine zweite Anzahl von Kühlrohren 30 ist in die wärmelei-60 tende Schicht eingebettet und erstreckt sich zu Auslässen in der zweiten Schicht 28 der oberen Stirnwand 24. Unterhalb des Kerns 12 befindet sich die untere Stirnwand 16, die einen Verbundaufbau aus einer ersten Schicht 18 aus gut wärmeleitendem Metall, z. B. Kupfer, und einer zweiten, tragenden und korrosionsbeständigen 65 Schicht 20 aus rostfreiem Stahl hat. Eine dritte Anzahl von Kühlrohren 22 ist in die erste Schicht 18 eingebettet und erstreckt sich zu Auslässen in der zweiten Schicht 20. Von der oberen Stirnwand 24 aus erstrecken sich mehrere Holmstangen 32 durch den Flügelprofil

kern 12 und durch die untere Stirnwand 16. Die erste Anzahl von Kühlrohren 14 ist oben mit der Schicht 28 der oberen Stirnwand 24 und unten mit der Schicht 20 der unteren Stirnwand 16 verschweisst. Der Flügelprofilkern 12, die obere Stirnwand 24 und die untere Stirnwand 16 sind von einer korrosionsbeständigen Hülle 34 umschlossen, da jedes der umschlossenen Teile Kupfer enthält, das gegen die korrodierende Atmosphäre der heissen Gase, die während des Betriebes der Gasturbine vorhanden ist, nicht beständig ist.

Die Fig. 2 bis 5 sind perspektivische Darstellungen der einzelnen Teile, die durch Diifusionsbindung zu der Leitschaufel (Düse) von Fig. 1 verbunden werden. Der Flügelprofilkern 12 hat gemäss Fig. 2 eine obere Fläche 36 und eine untere Fläche 38. Er hat kleine Löcher 40 für die ersten Kühlrohre und grosse Löcher 42 für die Holmstangen, welche sich an vorbestimmten Stellen in Längsrichtung durch den Kern erstrecken. Es ist ein wichtiges Merkmal der durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellten Leitschaufel 10, dass ein schneller Wärmeübergang zwischen der Oberfläche der Leitschaufel 10 und dem Kühlwasser (nicht gezeigt) erfolgt, weshalb das Metall, das nahe denjenigen Teilen der Leitschaufel 10 benutzt wird, an denen die Kühlung erfolgt, ein ausgezeichnetes Wärmeleitvermögen haben muss, was beispielsweise bei reinem Kupfer und bei Kupferlegierungen der Fall ist. Der hier benutzte Flügelprofilkern wird durch herkömmliche Giess- oder Schmiedeverfahren hergestellt. Anschliessend werden die kleinen Löcher 40 und die grossen Löcher 42 in den Flügelprofilkern 12 gebohrt.

Gemäss Fig. 3 hat die untere Stirnwand 16 einen Verbundaufbau aus einer ersten Schicht 18 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, in die eine dritte Anzahl von Kühlrohren eingebettet ist, und zwar insgesamt in schlangenförmiger Anordnung, ähnlich wie die in Fig. 1. Die erste Schicht 18 wird durch Pulvermetallurgieverfahren hergestellt. Die Holmstangen 32 in Fig. 1 werden anschliessend durch die grösseren Löcher 44 hindurchgeführt. Ebenso geht die erste Anzahl von Kühlrohren 14 durch die kleineren Stirnwandlöcher 21. Es ist ausserdem eine erste Ausrundung 46 vorhanden, die so geformt ist, dass sie der unteren Fläche 38 des Flügelprofilkerns 12 an-gepasst ist und mit dieser verbunden werden kann. Der andere Teil der unteren Verbundstirnwand 16 ist eine korrosionsbeständige Schicht 20, die typischerweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und ausführlicher in Fig. 4 gezeigt ist, in der die Schicht 28 der oberen Stirnwand 24 in Draufsicht gezeigt ist. Die untere Schicht 26 besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und hat im wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die obere Schicht 18 der Stirnwand 16. Die zweite Anzahl von Kühlrohren 30 ist in die zweite Schicht 26 eingebettet und geht durch die korrosionsbeständige Schicht 28 hindurch, welche typischerweise ebenfalls aus rostfreiem Stahl besteht. Es gibt ausserdem eine gleiche Gruppe von grossen Löchern 44, in denen die Holmstangen 32 befestigt werden.

Der Flügelprofilkern 12, die untere Stirnwand 16 und die obere Stirnwand 24 werden in eine Linie gebracht und in eine korrosionsbeständige äussere Hülle 34 eingesetzt, die die Gestalt eines hohlen Körpers hat, der an beiden Enden offen ist und im wesentlichen mit den äusseren Abmessungen der Leitschaufel 10 von Fig. 1 übereinstimmt. Das Herstellen der Hülle kann beispielsweise durch das in der US-PS Nr. 3928901 beschriebene Verfahren erfolgen. Die Hülle 34 wird hergestellt, indem ein Flügelprofilkernumhüllungsabschnitt

647 444

48, ein Umhüllungsabschnitt 50 für die obere Stirnwand und ein Umhüllungsabschnitt 52 für die untere Stirnwand miteinander verschweisst werden.

Die bevorzugten Werkstoffe für die Umhüllung sind Nickel/ Chrom-Legierungen, wie sie beispielsweise im Handel von der International Nickel Company unter der Bezeichnung IN-671 und IN-617 erhältlich sind. Die einfachen Nickel/Chrom-Legierungen bestehen im wesentlichen aus 50-80 Gew.-% Nickel und 20-50 Gew.-% Chrom, wobei eine bevorzugte Zusammensetzung 50 Ni/50 Cr ist. Die komplexeren Legierungen enthalten eine Anzahl von Elementen und werden durch die Legierung IN-617 repräsentiert, die folgende Zusammensetzung hat:

Elemente Gew.-%

Chrom

22

Aluminium

1

Kobalt

12,5

Molybdän

9

Bor

0,003

Kohlenstoff

0,07

Nickel

Rest

An dieser Stelle werden bei dem Verfahren nach der Erfindung die Einzelteile zusammengesetzt, indem zuerst die untere Stirnwand 16 in die vorgeformte Hülle 34 eingesetzt wird. Dann wird der Flügelprofilkern 12, der die Kühlrohre 14 enthält, in die Hülle 34 eingesetzt, und anschliessend wird die obere Stirnwand 24 über dem Flügelprofilkern 12 angeordnet. Die Holmstangen 32 werden durch die Stangenöffnungen 44 und 42 in den Stirnwänden bzw. dem Flügelprofilkern hindurchgeschoben. Die Holmstangen 32, die Kühlrohre 14 und die Hülle 34 werden mit den Stirnwänden 16 und 24 zu einer Baugruppe verschweisst. Die Baugruppe wird luftleer gemacht und unter Vakuum verschlossen.

Die Baugruppe wird dann direkt in eine isostatische Heisspresse eingebracht und unter geeigneten Parametern verfestigt, zu denen kritische Temperatur-, Druck- und Zeitbedingungen gehören. Die Temperatur sollte zwischen 816 und 1038° C liegen. Wenn die Temperatur unter 816°C liegt, wird die Zeit übermässig lang, und, wenn die Temperatur über 1038°C geht, besteht die Gefahr, dass das Kupfer schmilzt. Der brauchbare Druck liegt in dem Bereich 69-1724 bar und unterliegt der allgemeinen Bedingung, dass der Druck um so grösser sein muss, je niedriger die Temperatur ist. Die Zeiten liegen in dem Bereich von 0,5 bis etwa 4 h, was für eine Diffusionsbindung der Baugruppe ausreichend sein sollte. Die Kühlrohre sind, wie dargestellt, innen gegenüber dem Autoklavendruck offen, wodurch ihre Zusammendrückung verhindert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Diffusionsbindung, indem die Baugruppe direkt in eine isostatische Heisspresse eingebracht und einer Temperatur von 982° C bei einem Druck von 1034 bar und für eine Zeitspanne von 2 h ausgesetzt wird. Nach der Entnahme aus dem Autoklaven wird die Baugruppe an Luft auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Anschliessend wird die in sich verbundene Baugruppe zu der fertigen Leitschaufel verarbeitet, indem alle überschüssigen Schweissmaterialien entfernt und unter Anwendung herkömmlicher spanabhebender Oberflächenbearbeitungsverfahren die Passflächen bearbeitet werden.

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

R

1 Blatt Zeichnungen

Claims

647 444

1. Verfahren zum Herstellen einer wassergekühlten Turbinenleit-schaufel, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Herstellen eines Kupfer- oder Kupferlegierungsflügelprofilkernes mit sich in Längsrichtung erstreckenden Durchgangslöchern an vorbestimmten Stellen und Einsetzen einer ersten Anzahl von Kühlrohren in die Löcher;

b) Herstellen einer oberen Stirnwand, die einen Verbundaufbau aus einer ersten oberen Schicht aus rostfreiem Stahl und einer ersten unteren Schicht aus Kupfer mit hoher Wärmeleitfähigkeit, welches aus Metallpulver verfestigt worden ist, hat und eine zweite Anzahl von Kühlrohren aufweist, die in die erste untere Schicht eingebettet sind und sich durch die erste obere Schicht erstrecken;

c) Herstellen einer unteren Stirnwand, die einen Verbundaufbau aus einer zweiten unteren Schicht aus rostfreiem Stahl und einer zweiten oberen Schicht aus eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisendem Kupfer, das aus Metallpulver verfestigt worden ist, hat und eine dritte Anzahl von Kühlrohren aufweist, die in die zweite obere Schicht eingebettet sind und sich durch die zweite untere Schicht erstrecken;

d) Vorformen einer korrosionsbeständigen äusseren Hülle in der Gestalt eines hohlen Körpers, der an beiden Enden offen ist und im wesentlichen die äusseren Abmessungen der Leitschaufel hat;

f) Verschweissen der Holmstangen, der Kühlrohre und des Umhüllungskörpers mit den Stirnwänden zu einer Baugruppe;

h) Diffusionsbinden der Baugruppe durch isostatisches Heisspressen, und i) spanabhebendes Bearbeiten der in sich verbundenen Baugruppe, um die fertige Leitschaufel herzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbindung bei einer Temperatur von etwa 816-1038°C bei einem Druck von 69-1724 bar und für eine Zeit von 0,5-4 h erfolgt.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionsbeständige Hülle eine Legierung ist, die im wesentlichen aus 50-80 Gew.-% Nickel und 20-50 Gew.-% Chrom besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle eine Legierung ist, die im wesentlichen aus etwa 50 Gew.-% Nickel und 50 Gew.-% Chrom besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbindung bei einer Temperatur von 982 C bei einem Druck von 690 bar und für eine Zeit von 2 h erfolgt.