Lebensdauer und Schädigungsentwicklung martensitischer Stähle für Niederdruck-Dampfturbinenschaufeln bei Ermüdungsbeanspruchung im VHCF-Bereich

  • Fatigue life and damage evolution of martensitic steels for low-pressure steam turbine blades in the VHCF regime

Kovacs, Stephan; Beck, Tilmann (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek, Verl. (2014)
Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt 214
Seite(n)/Artikel-Nr.: IV, 140 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Niederdruck-Dampfturbinenschaufeln werden in der Regel aus martensitischen Stählen mit Cr-Gehalten zwischen 9 und 12% gefertigt, die sich durch gute Korrosions- und Warmfestigkeitseigenschaften auszeichnen. Durch das inhomogene Strömungsfeld hinter dem Leitgitter werden die Schaufeln zu hochfrequenten Schwingungen oberhalb von 1 kHz angeregt. Zusätzlich kommt es bei den ca. 1,5 m langen Laufschaufeln und Drehzahlen bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute aufgrund der Fliehkräfte zur Überlagerung von extrem hohen Mittelspannungen. Auch Resonanzschwingungen sind während des An- und Abfahrvorgangs nicht vollständig auszuschließen. Derzeit werden die Bauteile mit hohen Sicherheitsfaktoren gegen Wöhlerkurven mit angenommenem asymptotischem Verlauf oberhalb von 10^7 Lastzyklen dimensioniert. Dennoch werden Ermüdungsbrüche noch bei hohen Zykluszahlen beobachtet, auch ausgehend vom Schaufelfuß, der keine Vorschädigung durch Wasserdampferosion oder Tropfenschlag aufweist. Während der Anriss bei üblichem Ermüdungsversagen in der Regel von der Oberfläche ausgeht, initiieren die Ermüdungsrisse bei sehr hohen Zykluszahlen (> 10^8) verstärkt an Oxideinschlüssen unterhalb der Oberfläche. Ausgehend von dieser Situation wurde im Rahmen dieser Arbeit das Lebensdauer- und Versagensverhalten eines martensitischen Cr-Stahls bei Ermüdungsbelastung ohne und mit hohen Mittespannungen bei Bruchlastspielzahlen über 10^8 untersucht. Die Untersuchungen lieferten einerseits neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen der Lebensdauer und dem Ablauf sowie den Ursachen der Ermüdungsschädigung der hier betrachteten Gruppe hochfester Stähle bei Very-High-Cycle-Fatigue-Beanspruchung (bis 2*10^9). Insbesondere wurde der noch wenig erforschte Einfluss der Mittelspannung auf das VHCF-Verhalten (Rissursprungsort, Risswachstum, Lebensdauer) bestimmt, und die Rissbildungs- und Ausbreitungsmechanismen mit Hilfe elektronenmikroskopischer Analysemethoden (REM, TEM/FIB) analysiert. Andererseits leistet die Arbeit einen Beitrag zur zuverlässigen Auslegung künftiger Niederdruck-Dampfturbinen. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere im Stahl enthaltene nichtmetallische Einschlüsse vom Werkstoffolumen ausgehende Brüche bei Ultrahochzyklusermüdung verursachen. Dieses Ermüdungsverhalten kann über einen weiten Mittelspannungsbereich sehr gut mit Hilfe bruchmechanischer Ansätze beschrieben werden.

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