NO783321L - Fremgangsmaate for fremstilling av sammensatte konstruksjoner for vannkjoelte gassturbin-deler - Google Patents

Abstract

Fremgangsmøte ved fremstilling av sammensatte konstruksjoner for vannkjølte gassturbin-deler

Description

Konstruksjonsmessige utførelser av åpen-krets væskekjøling for gassturbinblad eller -skovler er beskrevet i US-PS 3 445 481 og 3 446 482. Førstnevnte patent angår en skovl med kjølekanaler som er åpne i begge ender, og som avgrenses av et antall ribber som utgjør en del av kjernepartiet av skovlen, og en metallhud som dekker kjernen og er sveiset til ribbene.

Det annet patent angår smidde eller støpte, hule turbinskovler med væskestråle under trykk. Et annet US-PS 3 619 076 beskriver et åpen-krets kjølesystem hvor en turbinblad-konstruksjon består av et sentralt vingeformet spant som er kledd med sterkt varmeledende metallplater, f.eks. kobber. Kledningsplaten har spor uttatt i kledningens overflate nær spantet, hvilke spor sammen med den glatte overflate av spantet avgrenser kjølemiddelkanaler anbragt over turbinbladets overflate.

Visse ulemper er forbundet med å utforme kanaler for væskekjøling ved å feste en plate til en kjerne, som ved ut-førelsene ifølge US-PS 3 445 481 eller 3 619 076. Benyttes lod-ding for å feste platen, vil noen av kanalene i turbinskovlene bli tilstoppet og sperret av loddemateriale. Der kreves feil-frie forbindelser mellom kjernen og platen for å begrense vannet til en strømning i hele kanalen under ekstremt høye hydrauliske trykk som et resultat av de sentrifugalkrefter som oppstår under drift av turbinen. Videre vil ethvert brudd i platen forårsake lekkasje av kjølemiddelet og resultere i feil ved skovlene.

Mange av ulempene ved tidligere kjent teknikk er overvunnet ved oppfinnelsen ifølge den samtidig løpende søknad, US-SN 749 719 av 13/12-1976, "Vannkjølte gassturbinskovler".

Her benyttes vannkjølte turbinskovler hvor vannkjølekanalene er utformet ved å benytte på forhånd formede rør som er anordnet under et ytre beskyttende lag med en indre flate for å oppnå

høy varmeledningsevne, og en ytre plate som beskyttelse mot varmekorrosjon.

Både US-PS 3 928 og 3 952 939 beskriver metoder for

å feste kledningsplate til en konveks-konkav overflate, så som en turbinskovl, ved å bruke isostatisk pressing. Imidlertid vil fremgangsmåtene ifølge disse sistnevnte patenter anvendt ved fremstilling av turbinskovler, resultere i at rørene vil tendere til å klappe sammen. Ennvidere vil det være vanskelig eller nesten umulig å fjerne glass uten å ødelegge rørene,, når smeltet glass benyttes som medium til å overføre trykk, som beskrevet i US^PS 3 952 939.

I henhold til oppfinnelsen har oppfinnerne oppdaget en metode til å lage vannkjølte høytemperatur-turbinkomponenter som inkluderer en kjerne, et varmeledende lag av kobber festet til kjernen, vannførende metallrør innlagt i dette lag og en ytre korrosjonsfast kledning. Metoden omfatter fremstilling av et preformet legeme som inneholder et spant og to stive endevegger med åpninger gjennom endeveggene og med disse anordnet således at det oppstår et rom mellom dem. Deretter legges et antall kjølerør langs overflaten av spantet på en slik måte at rørene rager gjennom åpningene i endeveggene. Det definerte rom lukkes deretter med plater for å danne et hulrom som fylles med kobber- eller nikkelpulver. Pulveret konsolideres ved isostatisk varmpressing mens rørene holdes åpne for gasstrykket, og det overskytende materiale fjernes ved maskinbearbeidelse for å utforme et varmeledende lag med innlagte kjølerør. Deretter på-føres en korrosjonsfast kledning over det varmeledende lag.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, hvis fig. 1 er en tredimensjonal fremstilling av spant/endeveggmontasjen for fremstilling av et representativt gassturbinmunnstykke med på forhånd borede hull til bruk ved fremstillingsmetoden ifølge oppfinnelsen, fig. 2

er en tredimensjonal fremstilling av spant/endeveggmontasjen,

som vist på fig. 1, med rør og påmontert bakkantblokk, fig. 3

er en fremstilling av montasjen ifølge fig. 2, lukket med stål-

plater, fig. 4 er et tverrsnitt av et typisk gassturbinmunnstykke

som kan fremstilles i henhold til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, og fig. 5 er et prosess-skjema for den nye fremgangsmåte .

Fig. 1 viser en sammenstilling 10 som er hensiktsmessig for produksjon av gassturbinmunnstykker og består av et spant 12 som har påmontert endevegger 14 og 16 i hver ende paral-lelt eller aksialt til hverandre. Disse endevegger 14 og 16 har et antall hull 18 som er boret eller frest gjennom endeveggene 14 og 16 på definerte steder i nærheten av spantet 12. Det neste

trinn ved fremstillingen av et representativt turbinmunnstykke er vist på fig. 2, hvor et antall rør 20 er bragt på plass gjennom hullene 18 i endeveggene 14 og 16 og anordnet langs den ytre overflate av spantet 12. I tillegg er en bakkantblokk 22 med gjennomgående rør (ikke vist) montert gjennom endeveggene 14 og 16 på spantets 12 bakkant. Rørseksjonen 20 er som vist anordnet

med avstand derfra. Stivere 2 4 er plasert mellom endeveggene

14 og 16 for å tjene som avstivning mellom dem og for å hindre bevegelse under den etterfølgende prosess.

Fig. 3 viser sammenstillingen ifølge fig. -2, hvor denne er lukket med stålplater 30 med de innloddede eller sveisede rør åpne. Som vist på fig. 3 er sammenstillingen ifølge fig. 2 forseglet for å danne en lukket beholder 30 som før luk-kingen er fylt med kobber-eller nikkelpulver. Endeveggene 14 (ikke vist) og 16 danner to sider av beholderen. Tynne stålplater 30 danner de resterende fire sider av beholderen og er sveiset til endeveggene 14 og 16 og til hverandre.

Et tverrsnitt av spantseksjonen 40 av et representativt munnstykke er vist på fig. 4. Spantet 12 er på den ytre overflate omsluttet av et lag med kobber 42 som har inne-sluttede kjølerør 20. Det ytre kobberlag 42, som ble fremstilt ved isostatisk varmpressing av kobberpulver, er blitt maskin-bearbeidet for å oppnå korrekt form og dimensjon. En korrosjonsfast kledning 44 dekker kobber- eller nikkellaget 42 for å hindre korrosjon fra den varme atmosfæriske gass som oppstår når gassturbinen er i drift.

Fig. 5 er et prosess-skjéma over den nye prosess

som her skal beskrives fra det punkt hvor den på forhånd formede del med endevegger foreligger. Som en illustrasjon kan denne del, som vist på fig. 1, være utformet således at kjernestrukturen er fremstilt ved sveising av skovl- og endeveggseksjoner som er formet ved støping eller smiing. En rekke hull med diameter som passer til den ytre diameter av vannkjølerørene, bores gjennom endeveggene. Overflaten av kjernen og rørene behandles for etterfølgende forankring. Overflatebehandlingen omfatter glassblåsing, dampavfetting og eventuelt nikkelpålegning og vakuum-behandling. Rør av hensiktsmessig størrelse og utformning bøyes deretter således at den ønskede anbringelse oppnås, og rørene rager ut gjennom hullene i endeveggen. Rør for avkjøling av endevegger og skovler anbringes på denne måte. Rørene sveises deretter på yttersiden av hver av endeveggene og forbindelsen må være gasstett.

Munnstykkets endevegger utnyttes deretter til å danne en beholder ved å sveise metallplater til dem. Før den siste plate sveises fast, skal hele den indre overflate renses ved lett glassblåsing, hydrogenreduksjon eller andre hensiktsmessige midler. Under vibrasjon fylles beholderen deretter med kobber eller kobberpulver, såsom kobberlegeringspulver av vanlig handels-kyalitet som levert fra ALCAN Aluminium Corporation som MD-kobber-pulver og fra United States Metals Refining Company som AMAX metallpulvere. Alternativt kan et nikkelpulver eller et nikkel-legeringspulver benyttes. Den siste plate med evakuerings-rør sveises deretter på plass. Ytterste forsiktighet må utvises for å unngå forurensning av sveisesonen med kobberpulver. Hele konstruksjonen kontrolleres deretter for vakuum-lekkasjer.

Konstruksjonen evakueres ved egnet temperatur og over et hensiktsmessig tidsrom og forsegles deretter under vakuum fra et vakuumsystem. Konstruksjonen plaseres deretter direkte i en isostatisk varmpresse og konsolideres under hensiktsmessige parametre som omfatter de kritiske områder for temperatur, trykk og tid. Temperaturen skal være mellom 815 og 1040° C. Er temperaturen under 815° C, vil tiden bli usedvanlig lang, og dersom den er-over 1040° C, oppstår fare for smelting av kobberet. Hen siktsmessig trykk ligger i området mellom 6,8 og 173 MPa og er avhengig av hvor kompleks delen er utformet. Videre gjelder at jo lavere temperaturen er, jo høyere trykk kreves det. Tiden ligger mellom omkring5og 4 timer, hvilket skulle være til-strekkelig til å fortette pulveret til den teoretiske tetthet.

I løpet av syklusen med isostatisk varmpressing vil kobberpulveret fortettes til omkring 10.0 % av den teoretiske tetthet, mens kobberlaget samtidig blir festet til kjernen og rørene. Kjøle-rørene hindres i å klappe sammen ved at de som nevnt er åpne til autoklavtrykket. Etter prosessen med den isostatiske varmpressing maskineres stålplatene av og den ønskede munnstykke-overflate maskineres inn i kobberlaget.

Kledning av den endelige overflate kan utføres ved en av mange anvendelige metoder..Formingen kan dermed gjennom-føres f.eks. ved metoden beskrevet i US-PS 3 928 901. En delvis forankring vil oppnås ved at kledningen legges mot kobberover-flaten og alle sveiser i kledningen tettes for å kapsle strukturen totalt inn i kledningen. Dif f us jonsbinding kan-, deretter gjennomføres ved en syklus med isostatisk varmpressing. Fore-trukket kledningsmateriale er nikkel-krom-legeringer, såsom de . som er tilgjengelige som handelsvare fra the International Nickel Company under betegnelsen IN-671 og IN-617. Disse nikkel-krom-legeringer inneholder i det vesentlige 50 - 80 vekt% nikkel og 20 - 50 vekt% krom med en foretrukken blanding på Ni-50Cr.

De mer kompliserte legeringer inneholder et antall av elementer og er representert ved IN-617 som har følgende sammensetning:

Oppfinnelsen er videre illustrert ved følgende eksempler:

Eksempel 1

Eksperimentet ble gjennomført for å demonstrere den ovenfor beskrevne metode på en konstruksjonsdel som hadde mange av de særtrekk som kreves ved nåværende konstruksjoner.

En kjernedel ble sveiset med 304 rustfast stål i endevegger og skovler. Før sveisingen ble det boret hull med en diameter på 3,575 mm gjennom endeveggene på de forutbestemte steder. Etter sveising av endeveggene til skovlen ble rustfaste stålrør 347 med ytterdiameter 3,175 mm og veggtykkelse 0,89 mm ført gjennom hullene langs den konkave del av skovlen. I tillegg ble rørene bøyet på en slik måte at forbindelsen mellom skovlen og endeveggen ble forsterket. Alle rør ble sveiset mot utsiden av endeveggene.

1,6 mm tykke stålplater ble sveiset til endeveggene på en slik måte at det ble dannet en beholder som omsluttet skovlen og rørkonstruksjonen. Før sveisingen av den siste plate, ble hele konstruksjonen glødet i tørt hydrogen ved 1037° C for å fj erne all oxydfilm på overflaten. Beholderen ble fylt med elektrolyttisk kobberpulver som hadde en tilsynelatende tetthet på 3,2 g/cm 3 (36% av teoretisk). Den siste plate som hadde et evakueringsrør fastsveiset, ble deretter sveiset fast til endeveggene for å danne en komplett lukket sveiset beholder. Denne konstruksjon ble deretter prøvet mot lekkasje ved hjelp av et masse-spektrometer ved alle sveisede forbindelser. Beholderen ble evakuert ved 538° C i 40 timer før evakuerings-røret ble sveiset til.

Konstruksjonen ble deretter utsatt for isostatisk varmpressing ved 982° C, 103,42 MPa som ble opprettholdt i 2 timer. Etter at beholderen var fjernet fra autoklaven, ble den nedkjølt i luft til romtemperatur. Beholderen ble røntgen-fotografert etter pressing, noe som viste at det var oppstått en del bevegelser av rørene, men de hadde ikke klappet sammen. En visuell undersøkelse viste at det hadde oppstått en revne i stålbeholderen under syklusen i autoklaven. Dette ble bekreftet ved en metallografisk undersøkelse som viste at pulveret hadde oppnådd ca. 90% tetthet, mens delvis binding av kobberet til den rustfaste overflate ble oppnådd,. Ikke desto mindre bekrefter 1 dette eksperiment at det er mulig å benytte metallpulver-teknologi med samtidig fortetning og binding av kobber eller kobberlegeringspulvere til en kompleks kjernestruktur med innlagte rør.

Eksempel 2

Dette eksperiment ble gjennomført for å sikre mulig-heten til ved hjelp av denne teknikk å oppnå en fullstendig binding og å fortette kobberpulveret tilsvarende det som ble oppnådd ved eksempel 1. Videre ble dette eksperiment gjennomført for å vurdere strukturen i bindingen, strukturen i det fortettede kobber og å påvise at et høyt nivå for den elektriske lednings-evne (og dermed varmeledningsevne) kan oppnås ved pulvermetallurgi-teknikken. En noe enklere struktur med to endevegger, en sen-tral avstiver og fire rør ble brukt til dette eksperiment. Alle overflater ble belagt med 1 - 2^um nikkel og behandlet over 1 time ved vakuumoppvarmning til 1038° C. Som tilfellet var i eksempel 1, ble det sveiset en beholder rundt endeveggene og sveisene ble renset ved glassblåsing. Det indre av beholderen ble fylt med 0,42 mm argonpulverisert OFHC-kobberpulver, hvor-etter lokket med evakueringsrøret ble sveiset på plass. For å unngå innslag av kobber i sveisene ble disse utført med største forsiktighet. Etter sveising ble konstruksjonen kontrollert for lekkasje, evakuert og forseglet ved sveising.

Før den isostatiske varmpressing ble konstruk-

sjonen utsatt for et kaldt isostatisk trykk ved 413,68 MPa for å oppnå en for-fortetning av kobberet og forhindre at vesentlige deler av beholderens vegger beveget seg under den isostatiske varmpressings-syklus. Deretter ble beholderen utsatt for isostatisk varmpressing ved 982° C og 68,94 MPa og med 2 timers varighet. Etterpå ble temperaturen senket til 600° C mens trykket ble beholdt og beholderen fjernet fra autoklaven og til-latt nedkjølt i luft. En total fortetning og binding var tydelig. Strukturen i bindingen mellom kobber og rustfast stålrør var av utmerket kvalitet. Strukturen i det fortettede kobberpulver er meget lik den som finnes i helt utglødd støpt kobber. Den elektriske ledningsvne ble målt til 100% IACS.

Dette eksperiment bekrefter at pulvermetallurgi-teknikken er anvendelig ved fremstilling av kompliserte, sammensatte komponenter til gassturbindeler for ekstremt høy tampera-tur, som kan vannkjøles.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av sammensatte konstruksjoner for vannkjølte høytemperatur gassturbindeler, karakterisert ved følgende trinn: a) fremstilling av en preformet del omfattende et spant og to faste gjennomhullede endevegger hvor avstanden mellom disse endevegger danner et rom, b) plasering av et antall kjølerør på definerte steder på overflaten av spantet, forlenget gjennom hullene i endeveggene, idet de danner en lekkasjetett forbindelse med endeveggene, c) omslutning av det ovenfor beskrevne rom med metallplater for dannelse av et indre hulrom, d) fylling av hulrommet med metallpulver fra gruppen kobber, kobberlegeringer, nikkel og nikkellegeringer, e) konsolidering av det nevnte pulver ved hjelp av isostatisk varmpressing mens rø rene holdes åpne for gasstrykk, f) fjerning av overskytende metall ved maskinering for å utforme et varmeledende lag med innlagte kjølerør, og g) påføring av en korrosjonsbestandig kledning over det nevnte varmeledende lag.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte del støpes av en legering valgt fra gruppen nikkelbase-legering og krom-nikkel-jern-legering.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at de nevnte rør fremstilles av en krom-nikkel-jern-legerinq.

4.. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at rø rene fremstilles av■monélmetall,

5. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at den korrosionsbestandige kledning er fremstilt av en legering hovedsakelig bestående av 50 - 80 vekt% nikkel og 20 - 50 vekt% krom.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at metallpulveret består av kobber eller kobber-legering.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at pulveret består av nikkel eller nikkel-legering.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den isostatiske varmpressing utføres ved en temperatur på 815 - 1040° C, et trykk på 6,8 - 173 MPa og over en tid på 0,5 - 4 timer for å oppnå en tetthet i det vesentlige svarende til den teoretiske.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at den preformede del støpes av en krom-nikkel-jern-legering, at det som pulver benyttes kobber, og at det for den nevnte korrosjonsbestandige kledning benyttes Ni-50Cr.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakter i-s e r'"t ved at den isostatiske varmpressing utføres ved 982° C, 68,94 MPa og over 2 timer.