DE10056241A1 - Niederdruckdampfturbine - Google Patents

Niederdruckdampfturbine

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Abstract

Eine Niederdruckturbine weist Leitschaufeln und Laufschaufeln auf, deren Schaufelblätter eine Beschichtung aufweisen, die hydrophob oder wasserabweisend ist und eine glatte Oberfläche aufweist. Vorzugsweise enthält die Beschichtung amorphen Kohlenstoff. Die hydrophobe Eigenschaft der Beschichtung bewirkt, dass kleine in der Dampfphase enthaltene Tröpfchen beim Auftreffen auf ein beschichtetes Schaufelblatt als kleine Tröpfchen über das Schaufelblatt hinwegrollen und der Dampfströmung weiter folgen. Dadurch werden Nässeverluste vermieden und der Wirkungsgrad der Turbine erhöht. Weiter wird verhindert, dass die kleinen Tröpfchen auf den Schaufelblättern nicht zu größeren Tropfen oder einem Flüssigkeitsfilm koaleszieren. Tropfenschlagerosion an Schaufeln und weiteren Bauteilen der Turbine durch große Tropfen wird dadurch vermieden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Beschaufelung einer Niederdruckturbine und insbesondere eine Beschichtung solcher Beschaufelung zwecks Erhöhung des Wirkungsgrades der Niederdruckturbine.
Stand der Technik
Die Expansion des Turbinendampfes in einer Niederdruckturbine bis auf den Kondensatordruck führt normalerweise in das Nassdampfgebiet. Im nassen Abdampf kann der Massenanteil des Kondenswassers bis zu 14% betragen. Der Impuls des gesamten Massenstromes des Turbinendampfes bleibt unabhängig vom Kondenswassergehalt erhalten. Die Anwesenheit einer flüssigen Phase in den rotierenden und stationären Elementen der Turbine verursacht jedoch erhöhte dissipative Verluste. Bei einer sogenannten nassen Niederdruckturbine fällt ca. 12-14% des Massenstroms in Wasser an. Dieser Nässeverlust führt zu einer Wirkungsgradeinbusse der Niederdruckturbine von ca. 6-7%, was einer Wirkungsgradeinbusse von ca. 1-2% einer gesamten Dampfkraftanlage entspricht. Bei Kombi- und nuklearen Kraftanlagen ist der Leistungsbeitrag der Niederdruckturbine zur gesamten Anlagenleistung im Vergleich etwas höher, dass die Einbusse im Gesamtwirkungsgrad aufgrund der Nässeverluste ca. 2-2.3% bzw. 3-3.5% beträgt.
Das Ausmass der Verluste hängt grösstenteils von der Grösse der Wassertropfen ab. In der Dampfphase sind zumeist nur kleine Tropfen im Mikrometerbereich enthalten. Nach neuestem Verständnis behalten diese ihre Grösse und koaleszieren nicht zu grösseren Tropfen, sofern sie im Dampf schwebend oder strömend verbleiben. Ähnlich einem Nebel strömen sie mit der Dampfströmung, welche den Impuls auf die Schaufeln abgibt. Solange die Tropfen in diesem kleinen Grössenbereich bleiben, beeinträchtigen sie weder den Betrieb noch die Leistung der Turbine.
Beim Durchströmen der Leitschaufeln und Laufschaufeln ergibt sich jedoch Tropfenwachstum. Während des Kontakts mit Metalloberflächen, vermutlich insbesondere mit den konkaven Metalloberflächen der Leitschaufeln, breiten sich die kleinen Kondensattropfen auf der Oberfläche aus und bilden einen geschlossenen Kondensatfilm, der auf den Leitschaufeln unter Wirkung der Scherkräfte der Dampfströmung über die konkaven oder konvexen Flächen fliesst. An der Endkante der Leitschaufel verlässt der Flüssigkeitsfilm die Oberfläche und wird dabei durch das rotierende Schaufelrad beschleunigt und zerteilt. Die Tropfen, die durch diese Zerteilung entstehen, sind von grösserem Durchmesser als jene Tropfen, die aus spontaner Kondensation entstehen.
Durch zentrifugale Kräfte werden diese grösseren Tropfen von den rotierenden Schaufeln in Richtung Turbinengehäuse nach aussen geschleudert. Dadurch wird ein Teil des Impulses des Arbeitsmittels nicht auf die Schaufeln übertragen, und es entsteht ein Nässeverlust, durch den der Wirkungsgrad der Niederdruckturbine verringert wird. Dieses Phänomen ist um so mehr ausgeprägt, wenn Grösse und Masse der Tropfen und somit die Zentrifugalkraft anwächst.
Ferner entstehen durch Ansammlungen von Wasser an den Innenflächen des Gehäuses der Niederdruckturbine dissipative Reibungsverluste an den rotierenden Schaufelspitzen und Schaufelabdeckungen.
Schliesslich verursachen vergrösserte Tropfen mit Durchmessern im Bereich von 100-200 µm und Geschwindigkeiten im Bereich von über 250 m/s Tropfenschlagerosion. Diese Erosion ist stark materialabhängig, wobei Schaufelwerkstoffe aus Titan und Titanlegierungen, die bevorzugt bei den grossen Schaufeln der Niederdruckturbine eingesetzt werden darauf besonders anfällig sind.
Es ist schon lange bestrebt worden, die Schaufelblätter von Turbinen mit einer Beschichtung zu versehen, welche die Erosionsbeständigkeit der Schaufeln erhöht und dadurch ihre Lebensdauer verlängert.
In der DE 37 24 626 wird ein Überzug für die Schaufelblätter einer Dampfturbine beschrieben, die aus harter, verschleissfester Keramik oder aus einem mehrschichtigem Überzug aus aktivem Metall und einer Deckschicht aus Keramik besteht. Der Überzug aus Keramik dient der Erhöhung der Erosionsfestigkeit der Schaufelblätter, während die Schicht aus aktivem Metall die Haftung des Überzugs verbessert.
Darstellung der Erfindung
Aus den eingangs beschriebenen Verlusten und Schäden bei Niederdruckturbinen, die durch Kondensattropfen im Dampfstrom verursacht werden, ist der Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Beschaufelung für eine, Niederdruckturbine zu schaffen, an deren metallischen Oberflächen die Bildung eines geschlossenen Flüssigkeitsfilmes verhindert ist und dadurch Nässeverluste vermindert und der Wirkungsgrad der Turbine erhöht wird und zugleich eine Festigkeit gegen Tropfenschlagerosion gewährleistet ist.
Diese Aufgabe ist durch eine Niederdruckturbine gemäss dem Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäss weisen in einer Niederdruckturbine zumindest die Schaufelblätter der stationären Leitschaufeln eine Beschichtung auf, die hydrophob oder wasserabweisend ist und eine glatte Oberfläche aufweist.
Die hydrophobe Eigenschaft der Schaufelblattbeschichtung bewirkt, dass die kleinen in der Dampfphase enthaltenen Tröpfchen beim Auftreffen auf ein beschichtetes Schaufelblatt ihre Identität beibehalten. Es wird also verhindert, dass die Tröpfchen zu grösseren Tropfen koaleszieren oder sich gar ein geschlossener Flüssigkeitsfilm bildet. Alle Tröpfchen rollen stattdessen über die beschichtete Fläche hinweg. Nach Abrollen von einer Schaufel verbleiben sie als schwebende Tröpfchen, die der Dampfströmung folgen und geben damit einen Impuls an weitere Schaufeln ab. Bei Niederdruckturbinen mit Beschaufelungen mit der erfindungsgemässen Beschichtung werden dadurch Nässeverluste weitgehend vermieden. Somit wird auch der Wirkungsgrad der Niederdruckturbine erhöht.
Die Erfindung bewirkt zudem den weiteren Vorteil, dass die hydrophobe Beschichtung indirekt Tropfenschlagerosion durch grosse Tropfen an Schaufelblättern oder anderen Turbinenbauteilen verhindert. Dank der hydrophoben Eigenschaft der Beschichtung bilden sich auf dem Schaufelblatt keine grosse Tropfen und es entsteht kein Flüssigkeitsfilm, welcher sich an der Schaufelkante in grosse Tropfen zerteilen würde. Somit entstehen keine grossen Tropfen, die Tropfenschlagerosion verursachen würden.
Eine glatte Beschichtung trägt weiter zum raschen Abrollen der kleinen Tröpfchen und zur Verhinderung einer Koaleszierung zu grösseren Tropfen bei.
In einer ersten Ausführung der Erfindung enthält die hydrophobe Beschichtung amorphen Kohlenstoff. Hierunter sollen im folgenden wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten mit 10 bis 50 at-% Wasserstoffgehalt und mit einem Verhältnis von sp3 zu sp2-Bindungen zwischen 0.1 bis 0.9 verstanden werden. Generell können alle mittels Carbon- oder Hydro-Carbon-Precursorn hergestellten amorphen oder dichten Kohlenstoffschichten sowie Plasmapolymerschichten, polymerähnliche oder dichte Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffschichten verwendet werden, sofern sie die hydrophoben und die im folgenden genannten mechanischen oder chemischen Eigenschaften des amorphen Kohlenstoffs zur Herstellung von Einzelschichten oder Schichtfolgen aufweisen. Amorpher Kohlenstoff, auch diamond like carbon genannt, ist allgemein bekannt für seine aussergewöhnliche Härte, chemische Stabilität sowie auch für seine Elastizität. Ferner besitzt amorpher Kohlenstoff unter bestimmten Bedingungen eine niedrige Oberflächenenergie im Vergleich zur Oberflächenspannung von Wasser, sodass eine hydrophobe oder wasserabweisende Eigenschaft herbeigeführt wird. Dabei ist die Härte von amorphem Kohlenstoff durch Variierung der Parameter für die Herstellung einer Beschichtung veränderbar. Eine weiche Schicht (innerhalb dem Härtebereich von amorphem Kohlenstoff) ist im Vergleich zu einer harten Schicht lediglich als weniger hart zu verstehen. Eine weiche oder weniger harte Schicht weist insbesondere eine ausgeprägte hydrophobe Eigenschaft auf.
Aus diesem Grund weist in einer bevorzugten Ausführung die Beschichtung eine hydrophobe Einzelschicht mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer, die Dicke zwischen 1 und 8 Mikrometern und eine Härte zwischen 500 und 1500 Vickers besitzt. Vorzugsweise beträgt die Dicke zwischen 2 und 4 Mikrometern.
Ferner haftet amorpher Kohlenstoff oder ein Plasmapolymer auf typischen Schaufelmaterialien sehr gut, sodass eine Herbeiführung von genügender Haftung durch Aufrauhung des Schaufelmaterials nicht notwendig ist. Amorpher Kohlenstoff oder ein Plasmapolymer eignet sich deshalb insbesondere für Langzeitanwendung wie an Schaufelblättern in einer Turbine.
In einer weiteren Ausführung der Beschichtung ist die hydrophobe Einzelschicht mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer als eine Gradientenschicht ausgebildet. Die Gradientenschicht besitzt eine durch ihre Tiefe sich graduell verändernde Härte, wobei ihre untersten Tiefenbereiche am härtesten und ihre obersten Tiefenbereiche am weichsten sind. Die obersten Tiefenbereiche der Gradientenschicht besitzen dabei eine Härte zwischen 500 und 1500 Vickers und eine Dicke zwischen 0.1 und 2 Mikrometern. Die untersten Tiefenbereiche der hydrophoben Gradientenschicht besitzen eine Härte zwischen 1500 und 3000 Vickers und eine dicke zwischen 0.1 und 6 Mikrometern, vorzugsweise zwischen 1 und 3 Mikrometern.
In einer weiteren Ausführung enthält die hydrophobe Beschichtung wiederum amorphen Kohlenstoff oder ein Plasmapolymer. Die Beschichtung weist jedoch insbesondere eine diskrete Schichtenfolge auf mit mindestens einer harten Schicht mit amorphem Kohlenstoff und mindestens einer weichen Schicht mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer, wobei die harten und weichen Schichten alternierend auf die Oberfläche der Schaufelblätter aufgetragen sind. Die erste Schicht ist dabei eine harte Schicht und die letzte eine weiche Schicht, wobei die weiche Schicht ähnlich wie die Beschichtung in der ersten Ausführung ist und eine hydrophobe Eigenschaft besitzt.
Die erfindungsgemässe Beschichtung erbringt den zusätzlichen Vorteil des Schutzes vor Tropfenschlagerosion. Wie schon erwähnt, sind durch die Vermeidung der Bildung von grösseren Tropfen einerseits weniger Tropfen von der Grösse vorhanden, die Tropfenschlagerosion an Schaufelblättern, Schaufelabdeckungen und Gehäusebauteilen usw. verursachen können.
Anderseits gewährleistet die Schichtenfolge der zweiten Ausführungsform von jeweils harten und weichen (oder weniger harten Schichten) zusätzlichen Schutz vor Tropfenschlagerosion durch die Aufnahme des Impulses eines aufschlagenden Tropfens. Der Impuls von aufprallenden Tropfen wird durch die weichen und harten Schichten aufgenommen, indem die Kompressionswellen, die vom Aufprall der Tropfen ausgehen, durch die Paare von harten und weichen Schichten durch Interferenz ausgelöscht werden. Die Auslöschung der Kompressionswellen ist der Auslöschung von optischen Wellen ähnlich, die durch Paare von dünnen Schichten von jeweils hohem und niedrigem Brechungsindex herbeigeführt werden.
Die Auslöschung von Kompressionswellen wird durch eine Schichtenfolge von mehreren Schichtpaaren von harten und weichen Schichten weiter erhöht. In einer weiteren Ausführungsform besitzt die erfindungsgemässe Beschichtung mehrere Schichtpaare von jeweils einer harten und einer weichen Schicht von amorphem Kohlenstoff.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind nicht nur die Schaufelblätter der Leitschaufeln sondern auch die Schaufelblätter der Laufschaufeln mit der erfindungsgemässen Beschichtung versehen. Hier wird die Filmbildung von Kondensat auf den Oberflächen der Leit- sowie auch den Laufschaufeln vermieden. Damit ist eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Niederdruckturbine durch die Beibehaltung des Kondensats in der Form von kleinen Tröpfchen in der Dampfströmung noch weiter gewährleistet. Ferner sind die Laufschaufeln zusätzlich vor Tropfenschlagerosion geschützt.
Die erfindungsgemässe Beschichtung kann nach verschiedenen, allgemein bekannten Herstellungsverfahren realisiert werden, wie zum Beispiel Abscheidung mittels Glimmentladung in einem Plasma aus kohlenwasserstoffhaltigen Precursorn, Ionenstrahlbeschichtung und Sputtern von Kohlenstoff in wasserstoffhaltigem Arbeitsgas.
Bei diesen Verfahren wird das Substrat einem Strom von Ionen von mehreren 100 eV ausgesetzt. Bei der Glimmentladung wird das Substrat in einer Reaktorkammer in Kontakt mit einer Kathode, die kapazitiv mit einem 13.56 MHz RF Generator verbunden ist, angeordnet. Die geerdeten Wände der Plasmakammer bilden dabei eine grosse Gegenelektrode. In dieser Anordnung lässt sich jeder Kohlenwasserstoffdampf oder jedes Kohlenwasserstoffgas als erstes Arbeitsgas für die Beschichtung verwenden. Um besondere Schichteigenschaften zu erzielen, beispielsweise verschiedene Oberflächenenergien, Härten, optische Eigenschaften usw. werden verschiedene Gase zum ersten Arbeitsgas dazugegeben. Unter Zugabe von Stickstoff, fluor- oder silizium-haltigen Gasen werden beispielsweise hohe oder niedrige Oberflächenenergien erreicht. Die Zugabe von Stickstoff führt zusätzlich zu einer Erhöhung der Härte der resultierenden Schicht. Ferner ist mittels der Veränderung der Bias-Spannung über den Elektroden zwischen 100 und 1000 V die resultierende Härte der Schicht steuerbar, wobei eine hohe Bias-Spannung zu einer harten, amorphen Kohlenstoffschicht und eine tiefe Spannung zu einer weichen amorphen Kohlenstoffschicht führt. Zur Erzielung einer Gradientenschicht werden die Herstellungsparameter, wie zum Beispiel die Zusammensetzung des Plasmas in der Reaktorkammer, graduell verändert.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Härte einer harten Schicht eines Schichtpaares zwischen 1500 und 3000 Vickers, während die Härte einer weichen Schicht eines Schichtpaares zwischen 800 und 1500 Vickers liegt. Die Dicken der einzelnen Schichten liegen dabei zwischen 0.1 und 2 µm, vorzugsweise zwischen 0.2 und 0.8 µm, wenn in der Schichtenfolge mehrere Schichten nacheinander aufgetragen werden.
Weiter sind vorzugsweise die Dicken der härteren Schichten und weicheren Schichten in umgekehrtem Verhältnis zu ihren Härten.
Die Haftung der erfindungsgemässen Beschichtung ist bei den meisten Substrattypen gut gewährleistet. Sie ist besonders gut bei Werkstoffen, die Karbide bilden wie Titan, Eisen und Silizium sowie auch Aluminium, jedoch nicht auf Edelmetallen, Kupfer oder Kupfer-Nickel-Legierungen. Dabei ist eine Aufrauhung der Substratoberfläche, also der Oberfläche des Schaufelblatts, nicht notwendig.
Um die Haftung weiter zu verbessern, ist auch eine Haftschicht auf der Oberfläche des Schaufelblatts realisierbar, auf der sodann die erfindungsgemässe Schichtenfolge aufgebracht wird. Als Haftschicht eignet sich zum Beispiel Titan.
Die erfindungsgemässe Beschichtung lässt sich also auf verschiedene Substratmaterialien, die für Beschaufelungen verwendet werden, wie zum Beispiel Titan, rostfreie Stähle, Chromstähle, Aluminium sowie sämtliche Karbidbildner anwenden.
Die erfindungsgemässe Beschichtung eignet sich insbesondere auch zur Erhöhung des Wirkungsgrads von bestehenden Niederdruckturbinen (Retrofit), da die Schaufeln ausgebaut werden, beschichtet und ohne weiteren Aufwendungen wieder eingebaut werden können.

Claims (14)

1. Niederdruckturbine mit einer Beschaufelung von stationären Leitschaufeln und rotierenden Laufschaufeln dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schaufelblätter der Leitschaufeln eine Beschichtung aufweisen, die hydrophob ist und eine glatte Oberfläche aufweist.
2. Niederdruckturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Beschichtung amorphen Kohlenstoff oder ein Plasmapolymer enthält.
3. Niederdruckturbine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Beschichtung eine Einzelschicht ist, die eine Dicke zwischen 1 und 8 Mikrometern aufweist.
4. Niederdruckturbine nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Einzelschicht eine Härte zwischen 500 und 1500 Vickers aufweist.
5. Niederdruckturbine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Beschichtung eine Einzelschicht ist, die als Gradientenschicht aufgetragen ist.
6. Niederdruckturbine nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Tiefenbereiche der Gradientenschicht relativ weich sind und eine Härte zwischen 500 und 1500 Vickers besitzen.
7. Niederdruckturbine nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Tiefenbereiche der Gradientenschicht eine Dicke zwischen 0.1 und 2 Mikrometern aufweisen.
8. Niederdruckturbine nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die unteren Tiefenbereiche der hydrophoben Einzelschicht eine Härte zwischen 1500 und 3000 Vickers und eine Dicke zwischen 0.1 und 6 Mikrometern aufweisen.
9. Niederdruckturbine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine diskrete Schichtenfolge aufweist mit mindestens einer harten Schicht mit amorphem Kohlenstoff und mindestens einer weichen Schicht mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer, und die mindestens eine harte und mindestens eine weiche Schicht alternierend auf die Oberflächen der Schaufelblätter gebracht sind, und die unterste Schicht der Schichtenfolge eine harte Schicht mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer und die letzte Schicht der Schichtenfolge eine weiche Schicht mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer ist und mindestens die letzte, weiche Schicht eine hydrophobe Eigenschaft aufweist.
10. Niederdruckturbine nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die harten Schichten mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer jeweils eine Härte zwischen 1500 und 3000 Vickers und die weichen Schichten mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer eine Härte zwischen 500 und 1500 Vickers aufweisen.
11. Niederdruckturbine nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die harten und weichen Schichten der diskreten Schichtfolge jeweils eine Dicke zwischen 0.1 und 2 Mikrometern aufweisen.
12. Niederdruckturbine nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der harten und weichen Schichten der diskreten Schichtfolge in umgekehrtem Verhältnis zu ihrer Härte sind.
13. Niederdruckturbine nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberfläche der Schaufelblätter und der Beschichtung eine Haftschicht aufgetragen ist.
14. Niederdruckturbine nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf die Oberflächen der Schaufelblätter der stationären Leitschaufeln und der Schaufelblätter der rotierenden Laufschaufeln der Niederdruckturbine aufgebracht ist.
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