METHOD OF MANUFACTURING TURBINE BLADES

Abstract: 1. A method of manufacturing turbine blades from blanks of 7-14 % chrome steels, which are heated to forging temperature and then precision forged, in particular in a screw press, the blades then being cooled from the forging heat by a cooling agent discharged from one or more nozzles and, after cooling to room temperature, annealed, characterized in that the amount of cooling agent emmitted per unit of time and/or the direction of the cooling agent jet on the various areas of the turbine blade surface is diversely apportioned as a function of the amount of heat which is to be given off by the respecive area and which is determined by the volume of the part of the blade and the corresponding temperature, so that the cooling is controlled with the proviso that the difference between the surface temperatures of the turbine blade does not exceed 100 degrees C.

Description: Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln aus Rohlinqen aus 7 - 14 %igen Chromstählen, die auf Schmiedetemperatur erhitzt und anschlie ssend, insbesondere in einer Spindelpresse, präzisionsgeschmiedet werden,: worauf die Schaufeln im wesentlichen aus der Schmiedehitze mit einem aus einer oder mehreren Düsen austretenden Kühlmittel abgekühlt und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur angelassen werden. Zur Herstellung von Turbinenschaufeln, für deren Formgebung ein gedrungen, um nicht zu sagen klobig gestalteter Fuss und ein sich daran anschliessendes, schlankes und meist mehr oder minder verwunden ausgebildetes Schaufelblatt charakteristisch ist, und die für den Dampfturbinenbau überwiegend aus 7 - 14 %igen Chromstählen gefertigt werden, die auch Legierungszusätze aus der Gruppe Mo, Ni, V, Nb, B, W, Cu, N enthalten können, ist es ublich, das Präzisionsschmieden anzuwenden. Dabei handelt es sich um einen Schmiedevorgang, bei dem aus einem entsprechend vorgeformten Rohling im Schmiedegesenk bzw. neuerdings auch schlagartig in einer mit einem solchen ausgestatteten massiven Spindelpresse bei Schmiedetemperatur die vielfach unter Berücksichtigung einer Bearbeitungszugabe auf die Endform abgestellte präzise Formgebung erfolgt, an die sich eine Wärmebehandlung zum Härten und Anlassen, sowie die mechanische Fertigbearbeitung anschliesst. Im Bestreben, einen Kostenvorteil zu erreichen, wenn unter Verzicht auf eine langsame Abkühlung der geschmiedeten Schaufeln auf Raumtemperatur und einen weiteren Erwärmungsschritt auf Austenitisierungstemperatur die Härtung gleich aus der Schmiedehitze vorgenommen wird, ist schon versucht worden, die dafür erforderliche schroffe Abkühlung durch ÖIhrtung auszuführen. Dabei hat sich jedoch ein derart starker Verzug ergeben, dass der erhoffte und energetisch auch erreichte Kostenvorteil wegen der schwierig vorzunehmenden und sehr aufwendigen Egalisierung des eingetretenen Verzuges praktisch ver lorengeht. Zielsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es daher, einen Ausweg aus dem genannten Dilemma aufzuzeigen und dies gelingt in überraschender Weise derart, dass die von der bzw. den Düsen je Zeiteinheit abgegebene Kühlmittelmenge und/oder die Richtung des Kühlmittelstrahles derart gelenkt wird, dass die Kühlwirkung im jeweils davon erfassten Oberflächenbereich der Schaufel umso stärker ist, je grösser die von diesem Bereich aufzunehmende Wärmemenge ist, die vom Schaufelteilvolumen und entsprechender Temperatur bestimmt ist. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Abkühlung mit der Massgabe gelenkt wird, dass die Unterschiede bei den Oberflächentemperaturen des Schaufelblattes das Ausmass von 1000C nicht übersteigen. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge mässen Verfahrens wird die gelenkte Abkühlung der Schaufeln durch ein getrennt der Menge und/oder der Richtung nach regelbares System von Luft- und Wasserstrahidüsen vorgenommen, wobei am besten die Kühimitteldüsen beidseitig eines Transportweges für die, vorzugsweise hängend, durch eine Kühlungszone geförderten Schaufeln angeordnet werden Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. Bs schrieben wird dabei die Herstellung von Dampfturbinenschaufeln mit einer Blattlänge von 1500 mm, einer maximalen Blattbreite von 300 mm und einer Blattverwindung von 700 aus dem Chromstahl der Werkstoffnummer 1.4021 ( X 20 Cr 13 entsprechend AISI 420). Bei der Schmiedung solcher Schaufeln mittels einer Spindelpresse ergibt sich gegen über der vordem üblichen Fertigung auf dem Gegenschlaghammer der besondere Vorteil, dass unter Einhaltung gleicher Bedingungen, insbesondere bezüglich der Schmiedetemperatur, der Schiaganzahl, der Gesenkkühluno u.s.f., das die Presse verlassende Produkt beim Vergleich in praktisch einheitlicher Art und Weise vorliegt. Auf die Temperatur bezogen bedeutet dies, dass zwar, durch die Verformung im Gesenk bedinot, nicht mehr ein einheitliches Temperaturniveau vorliegt, wie dies bei der Entnahme der Rohlinge (der sogenannten Keulen ) aus dem Ofen als Schmiede-Anfangstemperatur der Fall war, weil das schlanke Schaufelblatt bei der Schmiedung stärker abkühlt als der Fuss, dass aber beim Vergleich einer Schaufel mit praktisch jeder anderen einer Fertigungsreihe die Oberflächentemperaturen bezogen auf die jeweiligen Messstellen übereinstimmen. Zur Vermeidung von Karbidausscheidungen und der Perlit Umwandlung besteht beim Härten des genannten Stahltyps das Erfordernis , die geschmiedeten Schaufeln rasch von der Schmiede-Endtemperatur auf ein Temperaturniveau von etwa 3000 C abzukühlen, während die weitere Abkühlung auf Raumtemperatur an ruhender Luft erfolgen kann. Wegen der zwangsläufig eintretenden Abkühlung beim Manipulieren der Schaufeln von der Entnahme aus dem Gesenk bis zur Einbringung in die Kühlzone, haben sich folgende Temperaturverhältnisse ergeben: Schmiede-Anfangstemperatur: 11500C Schmiede-Endtemperatur: 1100 0C Ausgangstemperatur für die Härtung: Schaufel fuss: 10000C Schaufelblatt: 9000C Die gelenkte Abkühlung im Sinne des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgte in einer Kühleinrichtung, die mit einer Transportkette zur Aufhängung der Schaufeln und einem längs des Transportweges etwa spiegelbildlich,nach Höhe und Breite gestaffelt angeordneten und der Menge und teilweise auch der Richtung nach regelbaren Düsensystem von Sprühdüsen für Luft und Wasser als Kühlmittel ausgestattet ist. Während in Höhe des Schaufelfusses eine speziell auf diesen Bereich abgestellte intensive Kühlung durch eine eng-kegelig aufeinanderfolgende Reihe von Wassersprühstrahlen vorgenommen wurde, war die Kühlwirkung nach oben, also zum Schaufelkopf hin, zunehmend schwächer dosiert. Das Schaufelblatt wurde hier nur mittels Luftstrahlen gekühlt, wobei die Kühlmittelmenge etwa proportional zum abnehmenden Schaufelteilvolumen und der Temperatur eingestellt war, wodurch die unterschiedlichen Oberflächentemperaturen des Schaufelblattes nie mehr als 1000C differierten. Die Länge der Kühlungszone bzw. die Zeitdauer der Kühlung war derart bemessen, dass die Turbinenschaufeln beim Verlassen der Kühlein 0 richtung auf max. 300 C auch im Schaufelfuss abgekühlt waren, sodass sie durch Lagerung an ruhender Luft auf Raumtemperatur abgekühlt werden konnten. Zur Vergütung wurde dann eine Erhitzung auf 7400C vorgenommen, und nach 3-stündiger Haltezeit an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Schaufeln zeigten danach bloss einen minimalen Verzug, der sich auf konventionelle Art und Weise mit vergleichsweise geringem Kostenaufwand beheben liess. Um den gravierenden Unterschied aufzuzeigen, der sich vergleichsweise ergeben hat, wenn anstatt der beschriebenen erfindungsgemässen Härtung. der Turbinenschaufeln durch eine gelenkte Steuerung ihrer Abkühlung auf etwa 3000C die Härtung in einem auf 3000C erwärmten Ölbad oder - was auch noch versucht wurde - in einem aus etwa 3000C heissem Quarzsand durch einen Luftstrom gebildeten Wirbelbett vorgenommen wurde, werden die ausgewerteten Ergebnisse einer Serie von je 200 Schaufeln des beschriebenen Schaufeltyps entsprechend den mittleren Maximalwerten für den sich aus Durchbiegung und Verdrallung gegenüber dem Sollprofil in verschiedenen Messebenen ermittelten Verzug bezogen auf das prozentuelle Ausmass in einer grafischen Gegenüberstellung wie folgt ausgewiesen, wobei als Vergleichsbasis für den Prozentsatz von 100 % die gemittelten Maximalwerte für diesen Schaufeltyp herangezogen sind, die sich bei der bislang üblichen Technologie (Fertigung mit dem Gegenschlaghammer und Härtung nach einem gesonderten Wärmebehandlungsschritt durch Aufheizen auf die Härtetemperatur und Abschrecken im heissen Ölbad) ergeben haben. Die Ziffern auf der Abszisse bedeuten: 1: Vergleichsbasis 2: Ölhärtung aus der Schmiedehitze 3: erfindungsgemässe Härtung aus der Schmiedehitze 4: Härtung im heissen Sand-Wirbelbett aus der Schmiedehitze

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln aus Rohlingen aus 7 - 14 %igen Chromst hlen, die auf Schmiedetemperatur erhitzt und anschliessend, insbesondere in einer Spindelpresse,präzisionsgeschmiedet werden, worauf die Schaufeln im weosentlichen aus der Schmiedehitze mit einem aus einer oder mehreren Düsen austretenden Kühlmittel abgekühlt und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur angelassen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die von der bzw. den Düsen je Zeiteinheit abgegebene Kühlmittelmenge und/oder die Richtung des Kühlmittelstrahles derart gelenkt wird, dass die Kühlwirkung im jeweils davon erfassten Oberflächenbereich der Schaufel umso stärker ist, je grösser die von diesem Bereich aufzunehmende Wärmemenge ist, die vom Schaufelteilvolumen und entsprechender Temperatur bestimmt ist. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung mit der Massgabe gelenkt wird, dass die Unterschiede bei den Oberflächentemperaturen des Schaufelblattes das Ausmass von 100 0C nicht übersteigen. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gelenkte Abkühlung der Schaufeln durch ein getrennt der Menge und/oder der Richtung nach regelbares System von Luft- und Wasserstrahldüsen vorgenommen wird. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmitteldüsen beidseitig eines Transportweges für die, vorzugsweise hängend, durch-eine Kühlungszone geförderten Schaufeln angeordnet werden.

Inventors: FLADISCHER, JOHANN, DIPL.-ING., LOIDL, ALFONS, DIPL.-ING., SCHIEBER, HERBERT
Applicants: VEREINIGTE EDELSTAHLWERKE AKTIENGESELLSCHAFT (VEW)
Application year: 1984
Main classification: C21D9
IPC codes: C21D9, C21D8, C21D1