EP2025866A1 - Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente und entsprechende Turbinenkomponente - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente und entsprechende Turbinenkomponente Download PDF

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EP2025866A1
EP2025866A1 EP07015626A EP07015626A EP2025866A1 EP 2025866 A1 EP2025866 A1 EP 2025866A1 EP 07015626 A EP07015626 A EP 07015626A EP 07015626 A EP07015626 A EP 07015626A EP 2025866 A1 EP2025866 A1 EP 2025866A1
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temperature
turbine component
turbine
component
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F01D5/063—Welded rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/40—Heat treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a turbine component, in particular a turbine shaft or a steam turbine housing. Furthermore, the invention relates to a turbine component, in particular a turbine shaft or a steam turbine housing.
  • the nickel-base alloys are about three times as expensive as conventional materials.
  • a shaft in a monobloc design would be suitable for use in a steam turbine operated at 700 ° C. steam inlet temperature, the manufacturing, material and processing costs would be comparatively high.
  • high-temperature steels such. B. 10Gew .-% Cr steel can be used.
  • the temperatures at which such steels are used can be about 100 Kelvin below the target steam inlet temperature of 700 ° C.
  • the major components such as.
  • a steam turbine shaft composed of two materials is disclosed, one comprising a nickel base alloy and the other material being a high strength steel.
  • This turbine shaft is screwed together at its joint by means of an internal screw.
  • screw connections always pose a certain risk, as screw connections can break.
  • Another way to make a superalloy and a high temperature steel component would be to weld the two materials together using a weld.
  • the weld thus combines two subcomponents, one of which is hotter in operation than the second subcomponent, and at the same time has a higher coefficient of thermal expansion, as is the case with nickel base based alloys.
  • the thermal expansion of the two sub-components is very different.
  • a rigid cohesive welded joint would thus be exposed to very high thermal stresses.
  • the object is further achieved by a turbine component comprising a first subcomponent (2) comprising a superalloy and a second subcomponent (3) welded directly to the first subcomponent (2) and having a high temperature steel.
  • the invention is based on the idea that the weld should be subjected to a special heat treatment after the joint welding and before the mechanical processing, so that it meets the desired requirements.
  • the invention is based on the idea that by this heat treatment, thermal stress in the weld completely or partially relax. During the subsequent cooling, a residual stress state arises in the cold component, which the connection can endure.
  • the heat treatment reduces the short-term strength of the second subcomponent to a lower value.
  • the heat treatment can be local, d. H. only the weld is heated. But it can also be heated up the entire component.
  • the first subcomponent is formed from a nickel-based material, in particular a nickel-based superalloy.
  • a nickel-based material is suitable for high temperatures and thus optimal for the application area.
  • the second subcomponent is formed from a 10% chromium steel.
  • the second subcomponent can also be formed from an X12 steel.
  • the two aforementioned materials are optimal for use in steam turbine construction and are therefore classified as particularly suitable.
  • the tempering temperature may advantageously be 730 ° C.
  • the temperature at which the weld is to be heated may be between 80% to 120% of the tempering temperature of 730 ° C.
  • the temperature range may also be between 90% and 110% of the tempering temperature of 730 ° C. But you can also choose any interval between 80% and 120%.
  • the component comprises a turbine shaft for a steam turbine.
  • Turbine shafts are the most thermally stressed components in a steam turbine.
  • the component comprises a housing for a steam turbine.
  • the housings for steam turbines are particularly thermally stressed.
  • the heat treatment of the weld provides a very simple and inexpensive solution to provide a component necessary for increasing the efficiency a steam power plant is used.
  • this heat treatment no major conversion measures are to be considered in the manufacturing process.
  • the FIG. 1 shows a side view of a turbine formed as a shaft component 1.
  • the turbine component 1 comprises a first sub-component 2 and a second sub-component 3.
  • the first sub-component 2 may be formed for example of a nickel-based superalloy or a nickel-based material.
  • Nickel-based materials are particularly suitable for high temperatures and thus the turbine component 1, if it is designed as a shaft, in the in the FIG. 1 shown arrangement from the left with steam inlet temperatures of about 700 ° C are acted upon.
  • the second subcomponent 3 may be formed of a X12 steel or a 10% chromium steel. These materials are not suitable for high steam inlet temperatures of 700 ° C. By thermodynamic conversion processes, the vapor is cooled in a flow direction 4, whereby the second sub-component 3 is thermally less stressed than the first sub-component. 2
  • the first subcomponent 2 is provided, which has a superalloy.
  • the second subcomponent 3 is provided from a component having a high temperature steel.
  • first subcomponent 2 and the second subcomponent 3 are welded together by means of a weld seam 5 between the first subcomponent 2 and the second subcomponent 3.
  • the weld seam 5 is heated to a temperature which corresponds to 70% to 130% of the tempering temperature of the high-temperature steel.
  • the weld is heated after welding to a temperature corresponding to 70% to 130% of the tempering temperature of the high temperature steel. Before this heating, the component 1 may be cooled with the weld 5.
  • the tempering temperature is 730 ° C.
  • the temperature can be selected between 80% and 120% of the tempering temperature.
  • the temperature may be between 90% and 110% of the tempering temperature of the high temperature steel.
  • FIG. 2 a designed as a housing for a steam turbine turbine component 1 is shown in a side view. For the sake of clarity, only an upper part of the housing is shown.
  • the housing includes the first Subcomponent 2 and the second subcomponent 3 and arranged between the first subcomponent 2 and the second subcomponent 3 weld 5.
  • the first subcomponent 2 and the second subcomponent 3 includes the material selection as for FIG. 1 given in relation to the shaft.
  • the first subcomponent 2 comprises a superalloy and the second subcomponent 3 is formed from a high temperature resistant steel.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente (1) für eine Dampfturbine, wobei das Verfahren das Bereitstellen von zwei Teilkomponenten umfasst, wobei die erste Teilkomponente (2) eine Superlegierung und die zweite Teilkomponente (3) einen hochwarmfesten Stahl aufweist und die beiden Teilkomponenten (2, 3) mittels einer Verbindungsschweißung miteinander verschweißt werden, wobei die Schweißnaht (5) auch nach der Schweißung auf eine Temperatur, die 70% bis 130% der Anlasstemperatur des hochwarmfesten Stahls entspricht, erwärmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente, insbesondere einer Turbinenwelle oder einem Dampfturbinengehäuse. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Turbinenkomponente, insbesondere eine Turbinenwelle oder ein Dampfturbinengehäuse.
  • Bei der Entwicklung, Planung und Fertigung eines Dampfkraftwerkes werden sehr viele Anstrengungen unternommen, damit ein hoher Wirkungsgrad des Dampfkraftwerkes erreicht wird. Eine sehr effektive Maßnahme zur Steigerung des Wirkungsgrades von Dampfkraftwerken liegt in der Erhöhung der Dampfzustände, insbesondere in der Erhöhung der Dampfeintrittstemperatur. Daher werden Anstrengungen unternommen, um Dampfturbinen für Dampfeintrittstemperaturen von 700°C bis 720°C betreiben zu können. Solch hohe Temperaturen erfordern die Auswahl von geeigneten Werkstoffen für die thermisch belasteten Komponenten eines Dampfkraftwerkes. Insbesondere werden die Wellen und die Gehäuse von Dampfturbinen thermisch stark belastet. Für die thermisch am höchsten beanspruchten Bereiche der Komponenten können Nickelbasis-Werkstoffe eingesetzt werden. Unter Nickelbasis-Werkstoffen sind hochtemperaturfeste Legierungen zu verstehen, die insbesondere auf Nickel-Basis aufgebaut sind.
  • Allerdings sind die Nickelbasis-Legierungen in etwa dreimal so teuer wie herkömmliche Werkstoffe. Eine Welle in einer Monoblock-Ausführung wäre zwar für den Einsatz in einer bei 700°C Dampfeintrittstemperatur betriebenen Dampfturbine geeignet, allerdings wären die Herstellungs-, Material- und Bearbeitungskosten vergleichsweise hoch.
  • In den Bereichen, die durch thermodynamische Umwandlungsprozesse thermisch geringer belastet werden, können hochwarmfeste Stähle, wie z. B. 10Gew.-% Cr-Stahl verwendet werden. Die Temperaturen, bei denen solche Stähle eingesetzt werden können, liegen ungefähr 100 Kelvin unter der angestrebten Dampfeintrittstemperatur von 700°C.
  • Die Großkomponenten, wie z. B. die Dampfturbinenwellen für Dampfturbinen mit einer Dampfeintrittstemperatur von 700°C können daher nicht komplett aus Superlegierungen, wie z. B. Nickelbasis-Werkstoffe, bestehen können, sondern müssen Fügestellen mit hochwarmfesten Stählen, wie z. B. den 10%igen Chromstahl aufweisen.
  • In der EP 1 378 629 wird beispielsweise eine aus zwei Materialien zusammengefügte Dampfturbinenwelle offenbart, wobei das eine Material eine Nickelbasis-Legierung umfasst und das andere Material aus einem hochfesten Stahl besteht. Diese Turbinenwelle wird an seiner Fügestelle mittels einer innenliegenden Verschraubung miteinander verschraubt. Verschraubungen bilden allerdings immer ein gewisses Risiko, da Schraubverbindungen brechen können.
  • Eine weitere Möglichkeit, eine Komponente aus einer Superlegierung und einem hochwarmfesten Stahl herzustellen, wäre, die beiden Materialien miteinander mittels einer Schweißnaht zu verschweißen. Die Schweißung verbindet somit zwei Teilkomponenten, von denen das eine im Betrieb heißer ist als die zweite Teilkomponente und gleichzeitig einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, wie es bei nickelbasisbasierten Legierungen der Fall ist. Somit ist die thermische Ausdehnung der beiden Teilkomponenten sehr unterschiedlich. Eine starre stoffschlüssige Schweißverbindung würde somit sehr hohen thermischen Spannungen ausgesetzt sein.
  • Solche thermischen Spannungen würden die zulässigen Langzeit-Festigkeitswerte der Schweißnaht übertreffen. Darüber hinaus wirken im stationären Betrieb im Schweißnahtbereich statische Primärspannungen aus Fliehkraft, Schubkräften und Leistungsmomenten, High-Cycle-Fatigue (HCF) durch den Wellendurchhang sowie Eigenspannungen aus dem Schweißverfahren.
  • Wünschenswert wäre es, eine Komponente herstellen zu können, die aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht, wobei die Schweißnaht bei einer thermischen Belastung zuverlässig ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente mit den Schritten:
    • Bereitstellen einer eine Superlegierung aufweisenden ersten Teilkomponente (2),
    • Bereitstellen einer einen hochwarmfesten Stahl aufweisenden zweiten Teilkomponente (3),
    • Verbindungsschweißen der ersten Teilkomponente (2) mit der zweiten Teilkomponente (3), wobei eine Schweißnaht (5) zwischen der ersten Teilkomponente (2) und der zweiten Teilkomponente (3) gebildet wird,
    • Erwärmen der Schweißnaht (5) auf eine Temperatur, die 70% bis 130% der Anlasstemperatur des hochwarmfesten Stahls entspricht.
  • Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch eine Turbinenkomponente, umfassend eine eine Superlegierung aufweisende erste Teilkomponente (2) und eine direkt mit der ersten Teilkomponente (2) verschweißten, einen hochwarmfesten Stahl aufweisende zweite Teilkomponente (3).
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass die Schweißnaht nach der Verbindungsschweißung und vor der mechanischen Bearbeitung einer speziellen Wärmebehandlung unterzogen werden soll, damit diese den gewünschten Anforderungen entspricht. Dabei geht die Erfindung von dem Gedanken aus, dass durch diese Wärmebehandlung thermische Spannungen in der Schweißnaht ganz oder teilweise relaxieren. Beim nachfolgenden Abkühlen stellt sich im kalten Bauteil ein Eigenspannungszustand ein, den die Verbindung ertragen kann. Durch die Wärmebehandlung reduziert sich die Kurzzeit-Festigkeit der zweiten Teilkomponente auf einen niedrigeren Wert.
  • Die Wärmebehandlung kann lokal erfolgen, d. h. lediglich die Schweißnaht wird aufgeheizt. Es kann aber ebenso die komplette Komponente aufgeheizt werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die erste Teilkomponente aus einem nickelbasierten Werkstoff gebildet, insbesondere einer nickelbasierten Superlegierung. Gerade ein nickelbasierter Werkstoff ist für hohe Temperaturen geeignet und somit für das Anwendungsgebiet optimal.
  • Vorteilhafterweise wird die zweite Teilkomponente aus einem 10%igen Chromstahl gebildet. Die zweite Teilkomponente kann ebenso aus einem X12-Stahl gebildet werden. Die beiden vorgenannten Materialien sind für die Anwendung im Dampfturbinenbau optimal und sind daher als besonders geeignet einzustufen.
  • Die Anlasstemperatur kann vorteilhafterweise bei 730°C liegen. Die Temperatur, auf die die Schweißnaht erwärmt werden soll, kann dabei zwischen 80% bis 120% der Anlasstemperatur von 730°C liegen. Vorteilhafterweise kann der Temperaturbereich auch zwischen 90% und 110% der Anlasstemperatur von 730°C sein. Es kann aber ebenso jeder beliebige Intervall zwischen 80% und 120% gewählt werden.
  • Vorteilhafterweise umfasst die Komponente eine Turbinenwelle für eine Dampfturbine. Turbinenwellen sind die am meisten thermisch beanspruchten Komponenten in einer Dampfkraftanlage.
  • Vorteilhafterweise umfasst die Komponente ein Gehäuse für eine Dampfturbine. Neben den Turbinenwellen sind die Gehäuse für Dampfturbinen besonders thermisch belastet.
  • Durch die Wärmebehandlung der Schweißnaht ist eine sehr einfache und kostengünstige Lösung angegeben, um eine Komponente bereitzustellen, die für die Erhöhung des Wirkungsgrades in einer Dampfkraftanlage genutzt wird. Für diese Wärmebehandlung sind keine größeren Umbaumaßnahmen im Herstellungsprozess zu berücksichtigen.
  • Vorteilhafterweise werden Eigenspannungen in der Schweißnaht abgebaut, wobei die Härtewerte homogenisiert werden. Darüber hinaus lässt sich die Verbesserung der Schweißnaht gut messen und berechnen, wodurch eine Überprüfbarkeit der Schweißnaht gegeben ist.
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Seitenansicht einer Welle,
    Figur 2
    eine Seitenansicht eines oberen Teils eines Gehäuses.
  • Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer als Welle ausgebildete Turbinenkomponente 1. Die Turbinenkomponente 1 umfasst eine erste Teilkomponente 2 und eine zweite Teilkomponente 3. Die erste Teilkomponente 2 kann beispielsweise aus einer nickelbasierten Superlegierung oder aus einem nickelbasierten Werkstoff gebildet werden. Nickelbasierte Werkstoffe sind besonders für hohe Temperaturen geeignet und somit kann die Turbinenkomponente 1, wenn sie als Welle ausgebildet ist, in der in der Figur 1 dargestellten Anordnung von links mit Dampfeintrittstemperaturen von über 700°C beaufschlagt werden.
  • Die zweite Teilkomponente 3 kann aus einem X12-Stahl oder aus einem 10%igen Chromstahl gebildet werden. Diese Werkstoffe sind für hohe Dampfeintrittstemperaturen von 700°C nicht geeignet. Durch thermodynamische Umwandlungsprozesse wird in einer Strömungsrichtung 4 der Dampf abgekühlt, wodurch die zweite Teilkomponente 3 thermisch weniger belastet wird als die erste Teilkomponente 2.
  • In einem ersten Verfahrensschritt wird die erste Teilkomponente 2 bereitgestellt, die eine Superlegierung aufweist. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die zweite Teilkomponente 3 aus einem einen hochwarmfesten Stahl aufweisenden Komponente bereitgestellt.
  • In einem weiteren Schritt wird die erste Teilkomponente 2 und die zweite Teilkomponente 3 mittels einer Schweißnaht 5 zwischen der ersten Teilkomponente 2 und der zweiten Teilkomponente 3 miteinander verschweißt.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Schweißnaht 5 auf eine Temperatur, die 70% bis 130% der Anlasstemperatur des hochwarmfesten Stahls entspricht, erwärmt.
  • Die Schweißnaht wird nach der Schweißung auf eine Temperatur, die 70% bis 130% der Anlasstemperatur des hochwarmfesten Stahls entspricht, erwärmt. Vor dieser Erwärmung kann die Komponente 1 mit der Schweißnaht 5 abgekühlt sein.
  • Bei 10%igem Chromstahl liegt die Anlasstemperatur bei 730°C. Alternativ zu dem vorgenannten Temperaturintervall kann die Temperatur zwischen 80% und 120% der Anlasstemperatur gewählt werden. Die Temperatur kann beispielsweise zwischen 90% und 110% der Anlasstemperatur des hochwarmfesten Stahls gewählt werden.
  • Genauso können beliebige Bereiche aus dem größeren Bereich 70% bis 130% gewählt werden, um die Schweißnaht 5 zu erwärmen.
  • In der Figur 2 ist eine als Gehäuse für eine Dampfturbine ausgebildete Turbinenkomponente 1 in einer Seitenansicht dargestellt. Der Übersichtigkeit wegen ist lediglich ein oberer Teil des Gehäuses dargestellt. Das Gehäuse umfasst die erste Teilkomponente 2 und die zweite Teilkomponente 3 sowie eine zwischen der ersten Teilkomponente 2 und der zweiten Teilkomponente 3 angeordnete Schweißnaht 5. Die erste Teilkomponente 2 und die zweite Teilkomponente 3 umfasst die Materialauswahl wie zur Figur 1 bezogen auf die Welle angegeben. Insbesondere umfasst die erste Teilkomponente 2 eine Superlegierung und die zweite Teilkomponente 3 ist aus einem hochwarmfesten Stahl gebildet.

Claims (18)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente (1) mit den Schritten:
    - Bereitstellen einer eine Superlegierung aufweisenden ersten Teilkomponente (2),
    - Bereitstellen einer einen hochwarmfesten Stahl aufweisenden zweiten Teilkomponente (3),
    - Verbindungsschweißen der ersten Teilkomponente (2) mit der zweiten Teilkomponente (3), wobei eine Schweißnaht (5) zwischen der ersten Teilkomponente (2) und der zweiten Teilkomponente (3) gebildet wird,
    - Erwärmen der Schweißnaht (5) auf eine Temperatur, die 70% bis 130% der Anlasstemperatur des hochwarmfesten Stahls entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei die erste Teilkomponente (2) aus einem nickelbasierten Werkstoff gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    wobei die erste Teilkomponente (2) aus einer nickelbasierten Superlegierung gebildet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    wobei die zweite Teilkomponente (3) aus einem 10Gew-% Cr-Stahl gebildet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die zweite Teilkomponente (3) aus einem X12-Stahl gebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Anlasstemperatur 730°C beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Temperatur zwischen 80% und 120% der Anlasstemperatur liegt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6,
    wobei die Temperatur zwischen 90% und 110% der Anlasstemperatur liegt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die gesamte Turbinenkomponente (1) auf die Temperatur erwärmt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Turbinenkomponente (1) eine Turbinenwelle für eine Dampfturbine umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9,
    wobei die Turbinenkomponente (1) ein Gehäuse für eine Dampfturbine umfasst.
  12. Turbinenkomponente (1),
    umfassend eine eine Superlegierung aufweisende erste Teilkomponente (2) und eine direkt mit der ersten Teilkomponente (2) verschweißten, einen hochwarmfesten Stahl aufweisende zweite Teilkomponente (3).
  13. Turbinenkomponente (1) nach Anspruch 12,
    wobei die erste Teilkomponente (2) aus einem nickelbasierten Werkstoff gebildet ist.
  14. Turbinenkomponente (1) nach Anspruch 12,
    wobei die erste Teilkomponente (2) aus einer nickelbasierten Superlegierung gebildet ist.
  15. Turbinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 12 - 14,
    wobei die zweite Teilkomponente (3) aus einem 10%igen Chromstahl gebildet ist.
  16. Turbinenkomponente (1) nach Anspruch 12,
    wobei die zweite Teilkomponente (3) aus einem X12-Stahl gebildet ist.
  17. Turbinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 12 - 16,
    wobei die Turbinenkomponente (1) eine Welle für eine Dampfturbine ist.
  18. Turbinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 12 - 16,
    wobei die Turbinenkomponente (1) ein Gehäuse für eine Dampfturbine ist.
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