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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere
Laufschaufel für
eine Dampfturbine, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel.
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Bekannte
Turbinenschaufeln werden üblicherweise
hohl oder massiv aus einem metallischen Werkstoff wie z. B. Stahl
hergestellt, und werden beispielsweise für Dampfturbinen benötigt.
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Bei
einer Dampfturbine wird die thermische Energie von der Turbine zugeführtem Dampf
in mechanische Arbeit umgewandelt. Dampfturbinen umfassen hierfür wenigstens
einen hochdruckseitigen Dampfeinlass und wenigstens einen niederdruckseitigen
Dampfauslass. Eine sich durch die Turbine hindurch erstreckende
Welle, der so genannte Turbinenläufer,
wird mit Hilfe von Turbinenschaufeln angetrieben. Durch eine Kopplung
des Läufers
mit einem elektrischen Generator ermöglicht eine Dampfturbine z.
B. die Erzeugung von elektrischer Energie.
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Zum
Antreiben des Läufers
sind typischerweise Laufschaufeln und Leitschaufeln vorgesehen, wobei
die Laufschaufeln am Läufer
befestigt sind und mit diesem rotieren, wohingegen die Leitschaufeln zumeist
feststehend an einem Turbinengehäuse
(alternativ: an einem Leitschaufelträger) angeordnet sind. Die Leitschaufeln
sorgen für
eine günstige
Strömungsführung des
Dampfes durch die Turbine, um eine möglichst effiziente Energieumsetzung
zu erzielen. Bei dieser Umsetzung reduziert sich im Verlauf zwischen
Dampfeinlass und Dampfauslass die Enthalpie des Dampfes. Hierbei
verringert sich sowohl die Temperatur als auch der Druck des Dampfes.
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Aus
Effizienzgründen
ist eine möglichst
hohe Enthalpiedifferenz zwischen zugeführtem und auszulassendem Dampf
aus einer so genannten Endstufe der Dampfturbine anzustreben. In
dieser Hinsicht ist ein relativ geringer Druck des auszulassenden Dampfes
von Vorteil.
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Aufgrund
des Erreichens des Sattdampfzustandes in einem Niederdruckteil der
Turbine kann sich aus dem Dampf auskondensierte Feuchtigkeit niederschlagen
und Wassertropfen in der Turbine ausbilden. Die rotierenden Laufschaufeln
schlagen mit hoher Energie auf die von der Dampfströmung mitgenommenen
Wassertropfen, so dass sie einem entsprechenden Verschleiß unterliegen.
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Da
durch diesen Effekt (”Tropfenschlagerosion”) selbst
gehärteter
Stahl abgetragen wird, ergibt sich in der Praxis ein hoher Aufwand
zur Fertigung möglichst
resistenter Laufschaufeln bzw. zum regelmäßigen Austausch von erodierten
Laufschaufeln aus der Endstufe.
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Außerdem ist
die Endstufe einer Dampfturbine meist eine begrenzende Baugruppe
bezüglich maximaler
Durchströmfläche bzw.
maximaler Drehzahl des Läufers,
da insbesondere in diesem Bereich die Fliehkräfte zu hohen Zugspannungen
im Material der Laufschaufeln führen.
Insofern wäre
insbesondere in diesem Bereich der Einsatz von Turbinenschaufeln
in Leichtbauweise (z. B. aus Leichtmetall) mit entsprechend geringerer
Masse wünschenswert.
In der Praxis scheiterte dieser Ansatz jedoch von vornherein daran,
dass entsprechende Leichtbaumaterialien einem noch rascheren Verschleiß durch
die Tropfenschlagerosion unterliegen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Turbinenschaufel
eine vergleichsweise hohe Erosionsbeständigkeit bei gleichzeitig niedrigem
Gewicht zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
eine Turbinenschaufel nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zur Herstellung
einer Turbinenschaufel nach Anspruch 15 gelöst. Die abhängi gen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Turbinenschaufel
ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt der Turbinenschaufel
durch ein Faserverbundmaterial mit einer Matrix und darin eingebetteten
Fasern gebildet ist und die Matrix darin und/oder daran verteilt
angeordnete Nanopartikel aufweist.
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Durch
die wenigstens teilweise Ausbildung der Turbinenschaufel aus einem
Faserverbundmaterial ergibt sich ein vorteilhaft reduziertes Gewicht.
Die hierbei in einfacher Weise in die Matrix des Faserverbundmaterials
einzubringenden bzw. an der Matrix anzulagernden Nanopartikel ermöglichen
die Erzielung einer Reihe von Vorteilen.
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So
kann beispielsweise der Einbau von Nanopartikeln in die Matrix die
Haftung zwischen den Fasern und der Matrix verbessern. Alternativ
oder zusätzlich
an der Matrix angelagerte Nanopartikel können die Haftung zu angrenzenden
Abschnitten der Turbinenschaufel verbessern und/oder, wenn die angelagerten
Nanopartikel eine Außenoberfläche der Turbinenschaufel
ausbilden, die Erosionsbeständigkeit
beträchtlich
verbessern.
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Es
kann vorgesehen sein, dass lediglich ein oder mehrere Oberflächenabschnitte
der Turbinenschaufel durch das Faserverbundmaterial ausgebildet
werden, insbesondere an Stellen, die im Betrieb der Turbinenschaufel
einer besonders hohen Erosionsbelastung ausgesetzt sind und/oder
aufgrund ihres relativ großen
Abstandes von der Läuferdrehachse
relativ stark zur Fliehkrafterzeugung beitragen. Vor diesem Hintergrund
ist es bevorzugt, zumindest einen radial äußersten und/oder in Richtung
der Umfangsgeschwindigkeit orientierten Oberflächenabschnitt durch das Faserverbundmaterial
auszubilden. Übrige
Oberflächenabschnitte
und/oder Kernbereiche (auch unter oberflächlichen Faserverbundbereichen)
können
hierbei aus einem anderen Material (z. B. ein anderes Faserverbundmaterial
oder Leichtmetall) vorgesehen sein.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist vorgesehen, dass im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der
Turbinenschaufel durch das Faserverbundmaterial ausgebildet ist.
Davon ausgenommen sein können
z. B. Oberflächenabschnitte
im Fußbereich der
Turbinenschaufel, welche im Betrieb aufgrund der Befestigung des
Schaufelfußes
am Turbinenläufer überdeckt
werden und sich somit nicht unmittelbar in der Dampfströmung befinden.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Faserverbundmaterial eine äußere Faserverbundschicht
auf einem Kern der Turbinenschaufel ist. Der Kern kann hierbei z.
B. aus einem von dem Faserverbundmaterial sich unterscheidenden
weiteren Faserverbundmaterial bestehen. Dies ist sowohl bei einer
nur teilweise als auch bei einer im Wesentlichen vollständig durch
das Faserverbundmaterial ausgebildeten Schaufeloberfläche möglich.
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Als
Kernmaterial ist ein Faserverbundmaterial bevorzugt, welches zweckmäßigerweise
hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften ausgewählt bzw.
optimiert ist. Diesbezüglich
ist z. B. ein in Radialrichtung langgestreckter Faserverbundkern
von Vorteil, dessen Fasern eine Vorzugsorientierung in Radialrichtung
aufweisen, insbesondere z. B. als über die im Wesentlichen ganze
Radialerstreckung des Kerns durchgehende Fasern ausgebildet sind.
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Das
oben bereits erwähnte ”weitere
Fasermaterial”,
welches den gegebenenfalls vorgesehenen Turbinenschaufelkern bildet,
kann sich von dem (erstgenannten) Faserverbundmaterial z. B. hinsichtlich
der Matrix (Harzsystem) und/oder hinsichtlich der Faserart unterscheiden.
In einer speziellen Ausführungsform
ist z. B. ein Kern aus CFK (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff)
mit einer oberflächlichen Schicht
des (erstgenannten) ”Fasermaterials” aus GFK
(Glasfaserverstärkter
Kunststoff) vorgesehen. In diesem Beispiel können auch die beiden Matrixmaterialien
sich unterscheiden, oder identisch vorgesehen sein (z. B. beide
als Epoxidharz).
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einem Unterschied in der Faserart zwischen den beiden Materialien
(Kernmaterial und einen Oberflächenbereich
der Turbinenschaufel ausbildendes Material) kann auch ein Unterschied
in der Faserlänge
(bzw. Faserlängenverteilung)
und/oder der Faserorientierung (bzw. Faserorientierungsverteilung)
vorgesehen sein.
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Wenn
das mit den Nanopartikeln versehene Faserverbundmaterial als eine äußere Faserverbundschicht
auf einem aus ”weiterem
Faserverbundmaterial” ausgebildeten
Kern der Turbinenschaufel vorgesehen ist, und hierbei dasselbe Kunstharzsystem
als Materixmaterial vorgesehen ist, so kann die Herstellung der
Turbinenschaufel vorteilhaft mit einem Infiltrationsschritt erfolgen,
bei welchem z. B. in einem Formwerkzeug ein darin eingelegtes Fasermaterial
infiltriert wird. Die in zumindest einem oberflächlichen Bereich der Turbinenschaufel
bereitzustellenden Nanopartikel können z. B. vor dem Infiltrationsschritt
dem hierfür
verwendeten flüssigen
oder zähflüssigen Harzsystem
beigemischt werden. Zur Erzielung einer inhomogenen Konzentration
an Nanopartikeln im Volumen der Matrix kommt in Betracht, die Nanopartikel
während
des Infiltrationsschrittes in variierender Konzentration einem Harzsystem
zuzugeben, welches in das Formwerkzeug einströmt.
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Ein
anderes Herstellungsverfahren, mittels welchem ein Faserverbundkern
und eine oberflächliche
Faserverbundschicht der Turbinenschaufel noch universeller und unabhängig voneinander
gestaltet werden können,
besteht darin, in einem ersten Schritt den Schaufelkern im Wesentlichen
fertigzustellen (z. B. aus nur teilweise ausgehärtetem ”weiterem Faserverbundmaterial”) und in
einem zweiten Schritt wenigstens einen Teil oder im Wesentlichen
die gesamte Oberfläche
der Turbinenschaufel durch das (erstgenannte) Faserverbundmaterial
auszubilden. Der im ersten Schritt gefertigte Schaufelkern (z. B.
aus CFK) kann hierbei z. B. mit oberflächlich angelagertem weiterem
Fasermaterial im zweiten Schritt infiltriert werden, um die betreffende(n)
Oberfläche(n)
der Turbinenschaufel als Beschichtung auszubilden (z. B. aus GFK).
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Zur
Erzielung einer inhomogenen Konzentration an Nanopartikeln in einer
solchen Beschichtung kann wieder eine variierende Zugabe der Nanopartikel
während
des Infiltrationsschrittes eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich ist
es denkbar, ein jeweils zu infiltrierendes Fasermaterial bereits
vor seiner Infiltration mit Nanopartikeln auszustatten.
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Bei
allen vorstehend erwähnten
Herstellungsvarianten kommt auch in Betracht, Fasermaterial vorab
dem noch flüssigen
bzw. zähflüssigen Harzsystem
zuzugeben. Dies ist z. B. insbesondere für eine oberflächliche
Schicht der Turbinenschaufel interessant, um an dieser Stelle relativ
kurze Fasern und/oder ungeordnete Fasern einzubauen.
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Falls
die Turbinenschaufel außer
dem gemäß der Erfindung
mit Nanopartikeln versehenen Faserverbundmaterial noch ein anderes
Kernmaterial aufweist (bevorzugt ein ”weiteres Fasermaterial”, denkbar
jedoch auch z. B. Metall), so kann dieser Kern hohl oder massiv
vorgesehen sein.
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Für die Auswahl
bzw. Gestaltung des Faserverbundmaterials, welches zumindest einen
Abschnitt der Schaufeloberfläche
ausbildet, gibt es vielfältige
Möglichkeiten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist z. B. vorgesehen, dass die darin eingebetteten Fasern deutlich
kürzer
sind als der maximale, entlang des betreffenden Oberflächenabschnittes
gemessene Abstand zwischen zwei Punkten dieses Oberflächenabschnittes.
Anders ausgedrückt
sind über
den oder die betreffenden Oberflächenabschnitte
betrachtet keine generell durchgehenden Fasern vorgesehen.
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Insbesondere
für Turbinenschaufeln
mit einer Schaufellänge
von 1 m oder mehr ist es z. B. vorteilhaft, wenn die Fasern jeweils
eine Länge
im Bereich von 1 bis 10 cm, insbesondere 1 bis 5 cm besitzen.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Länge
der einzelnen Fasern in einem relativ engen Bereich um einen Mittelwert
der Faserlänge variiert.
Davon soll z. B. der Fall umfasst sein, dass das obere Quartil der
Faserlängenverteilung
höchstens
um einen Faktor von 1,5 größer als
das untere Quartil der Faserlängenverteilung
ist. An dieser Stelle ist jedoch darauf hinzuweisen, dass es im
Rahmen der Erfindung keineswegs zwingend ist, dass die Faserlängenverteilung
für den
oder die betreffenden Oberflächenbereiche
einheitlich vorgesehen ist. Vielmehr könnte auch eine lokal variierende
Faserlängenverteilung,
insbesondere lokal variierende mittlere Faserlänge vorgesehen sein.
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Der
Vorteil einer Faserlänge,
die deutlich geringer (z. B. um wenigstens einen Faktor 10) als
die Schaufellänge
ist, besteht vor allem darin, dass damit eine verbesserte Duktilität und Homogenität des Faserverbundes
im Vergleich zu einer durchgehenden Faseranordnung erzielt werden
können.
Beispielsweise aus dem gleichen Grund ist es bevorzugt, wenn die
Fasern ungeordnet in der Matrix eingebettet sind, also nennenswerte
Anteile sämtlicher
(zumindest in der Oberflächenebene
verlaufenden) Faserorientierungen vorhanden sind. Dies soll nicht
ausschließen,
dass bei dieser ungeordneten Fasereinbettung statistisch betrachtet
eine Vorzugsrichtung (insbesondere z. B. in Radialrichtung) vorhanden
ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Ausmaß und/oder
die Orientierung der Vorzugsrichtung lokal über den oder die betreffenden
Oberflächenabschnitte
variiert.
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Ebenfalls
im Hinblick auf die Duktilität
und Homogenität
des Faserverbundmaterials ist die Einbettung der Fasern in loser
Form oder in Form eines Faservlieses gegenüber deren Einbettung als Gewebe,
Geflecht oder dergleichen bevorzugt.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der Anteil
der Fasern im Faserverbundmaterial im Bereich von 20 bis 70 Vol.-%,
insbesondere 30 bis 60 Vol.-% liegt.
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Was
die Wahl der Fasern anbelangt, so kommen grundsätzlich alle aus dem Bereich
der Faserverbundtechnologie bekannten und gebräuchlichen Fasern in Betracht
(z. B. Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern, Naturfasern
etc.). In einer bevorzugten Ausführungsform
sind z. B. Glasfasern in der Matrix eingebettet.
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Auch
für die
Auswahl des Matrixmaterials kann grundsätzlich auf aus dem Bereich
der Faserverbundtechnologie bekannte Materialen zurückgegriffen
werden. Die Matrix des Faserverbundmaterials kann z. B. aus Epoxidharz,
Polyimid, Cyanat-Ester oder Phenolharz bestehen. Für den hier
besonders interessierenden Anwendungsfall einer Laufschaufel in
einem Niederdruckbereich einer Dampfturbine ist z. B. eine duroplastische
Matrix wie Epoxidharz mit darin eingebetteten Glasfasern besonders
interessant.
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Der
Begriff ”Nanopartikel” soll insbesondere Teilchen
mit einer typischen Ausdehnung im Bereich von 10 bis 100 nm bezeichnen.
Es hat sich herausgestellt, dass derartige, z. B. synthetisch hergestellte Partikel
in der Matrix die Haftung der Fasern verbessern können und
an der Oberfläche
der Turbinenschaufel die Erosionsbeständigkeit der Turbinenschaufel
verbessern können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind Nanopartikel im Volumen der Matrix im Wesentlichen homogen
verteilt angeordnet. Um dies zu erreichen, können die Nanopartikel wie oben
bereits erläutert dem
noch nicht verfestigten Matrixmaterial beigegeben und mit diesem
vermischt werden. Bei diesem Schritt können auch die einzubettenden
Fasern zugegeben werden, sofern diese nicht separat an einem Kernmaterial
der Turbinenschaufel angeordnet werden, etwa als ein Faserhalbzeug
(z. B. Gewebe, Gelege, Vlies etc.).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Anteil der Nanopartikel in der Matrix kleiner
als 30 Gew.-% ist, insbesondere im Bereich von 5 bis 20 Gew.-% liegt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind Nanopartikel an einer Matrixoberfläche angelagert, welche eine
Oberfläche
der fertigen Turbinenschaufel darstellt, wobei in diesem Fall weiter
bevorzugt ist, dass diese Nanopartikel im Wesentlichen homogen an
dieser Oberfläche
verteilt angeordnet sind.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Anteil der Nanopartikel an einer Oberfläche der
Matrix größer als
70 Gew.-% ist, insbesondere im Bereich von 90 bis 100 Gew.-% liegt.
Im Hinblick darauf, dass die Konzentration der Nanopartikel an der Oberfläche bevorzugt
relativ groß und
im Volumen der Matrix bevorzugt relativ klein ist, ist gemäß einer spezielleren
Ausführungsform
vorgesehen, dass zumindest in einem äußersten Schichtbereich eines
einen Schaufeloberflächenbereich
ausbildenden Matrixmaterials ein Gradient der Nanopartikelkonzentration
vorgesehen ist (mit zum Schaufelinneren hin abnehmender Partikelkonzentration).
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Material der Nanopartikel gewählt ist
aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumoxid,
Zirkonoxid und Titanoxid (einschließlich Kombinationen davon).
Insbesondere können
Nanopartikel aus einem derartigen Material mit im Wesentlichen sphärischer
Form und/oder mit einer typischen Ausdehnung im Bereich von 10 bis 50
nm verwendet werden.
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Der
Aufbau der durch das Faserverbundmaterial ausgebildeten Oberflächenabschnitte
der Turbinenschaufel kann lokal variiert und damit z. B. der zu erwartenden
Erosionsbelastung und mechanischen Belastung angepasst werden. Eine
solche Variation kann sich z. B. auf den Anteil, die Art, die Länge und die
Anordnung (Orientierung bzw. Orientierungsverteilung) der Fa sern
beziehen, aber auch z. B. auf den Anteil der Nanopartikel in der
Matrix.
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Die
erfindungsgemäße Gestaltung
kann vorteilhaft auch mit weiteren, an sich bekannten Erosionsschutzmaßnahmen
kombiniert werden, wie z. B. separat ausgebildete Schaufelvorderkanten
(z. B. aus Metall).
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine
schematische Darstellung einer herkömmlichen Dampfturbine,
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2 eine
Seitenansicht einer Turbinenschaufel gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
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3 eine
Seitenansicht einer Turbinenschaufel gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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4 eine
Seitenansicht einer Turbinenschaufel gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels, und
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5 ein
Detail aus 4 in einer modifizierten Ausführung.
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1 veranschaulicht
eine Dampfturbine 1, umfassend eine hochdruckseitige Dampfzuleitung 2 zur
Zufuhr von Frischdampf (z. B. über
ein steuerbares Ventil) und eine niederdruckseitige Dampfableitung 3,
welche z. B. zu einem (nicht dargestellten) Kondensator eines Dampfkreislaufes
führt,
aus welchem nach Erhitzen des Kondensats wieder Frischdampf erzeugt
wird (”Kondensationsdampfturbine”).
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In
einem Normalbetrieb der Dampfturbine 1 wird der Frischdampf
z. B. mit einem Druck von etwa 102 bar und
einer Temperatur von etwa 500°C über die
Zuleitung 2 am Eingang der Tur bine 1 zugeführt. Im
Verlauf der Turbine 1 expandiert der Dampf, so dass sich
sowohl dessen Druck als auch dessen Temperatur verringert. Am Ausgang
der Turbine 1 tritt der Dampf über die Ableitung 3 z.
B. mit etwa 10–1 bar und etwa 40°C wieder
aus (z. B. 0,05 bar und 33°C).
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Die
thermische Energie des zugeführten Dampfes
wird zunächst
in mechanische Dreharbeit umgewandelt. Ein durch die Turbine 1 in
einer Axialrichtung sich hindurch erstreckender Turbinenläufer 4 wird
durch daran befestigte Laufschaufeln 5 angetrieben und
treibt wiederum über
ein gegebenenfalls vorgesehenes Getriebe 6 einen elektrischen
Generator 7 an.
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Abweichend
vom dargestellten Beispiel könnte
die Turbine 1 alternativ oder zusätzlich z. B. Pumpen, Verdichter
oder andere Einheiten antreiben, wie sie z. B. oftmals zur Implementierung
großindustrieller
chemischer Prozesse benötigt
werden.
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Innerhalb
der Turbine 1 wechseln sich in Axialrichtung betrachtet
die Laufschaufeln 5 mit Leitschaufeln 8 ab, welche
für eine
günstige
Strömungsführung des
Dampfes durch die Turbine 1 sorgen. Die Leitschaufeln 8 sind
an der Innenseite eines Turbinengehäuses befestigt und stehen radial
nach innen gerichtet davon ab.
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Wie
aus 1 ersichtlich, umfasst die Turbine 1 im
dargestellten Beispiel insgesamt 6 Schaufelkranzpaare 8, 5.
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Im
Hinblick auf einen möglichst
hohen Wirkungsgrad bei der Energieumsetzung ist ein möglichst
geringer Enddruck des niederdruckseitig (nach dem letzten Schaufelkranzpaar 8, 5) über die
Ableitung 3 austretenden Dampfes von Vorteil.
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Mit
der Entspannung des Dampfes in den Sattdampfbereich hinein geht
in der Praxis das gravierende Problem der Tropfenschlagerosion einher, die
zu einem hohen Verschleiß der
Laufschaufeln im Niederdruckteil der Turbine führt. Im darge stellten Beispiel
sind hiervon also die in 1 weiter rechts angeordneten
Laufschaufeln 5 der Turbine 1 betroffen, welche
einem zweiten Expansionsabschnitt bzw. einer Niederdruckstufengruppe 1-2 angehören, wohingegen
die in 1 links befindlichen Schaufeln einem ersten Expansionsabschnitt
bzw. einer Hochdruckstufengruppe 1-1 zuzurechnen sind.
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Bei
den Laufschaufeln des oder der im Turbinenverlauf letzten Schaufelpaare 8, 5 (Endstufe)
ist neben der Tropfenschlagerosion auch eine hohe Fliehkraftbelastung
herausfordernd, welche z. B. zu hohen Zugspannungen in radialer
Richtung im Material der Laufschaufeln 5 führt.
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Nachfolgend
werden mit Bezug auf die 2 bis 4 einige
Ausführungsbeispiele
von Laufschaufeln beschrieben, welche vorteilhaft eine relativ hohe
Erosionsbeständigkeit
bei gleichzeitig relativ geringer Masse aufweisen. Turbinenschaufeln
der nachfolgend beschriebenen Art können insbesondere in einer
Installationsumgebung der in 1 dargestellten
Art eingesetzt werden, etwa als Laufschaufeln 5 im Niederdruckbereich 1-2 bzw.
in der Endstufe der Dampfturbine 1.
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2 zeigt
eine Turbinenlaufschaufel 10 mit einem Schaufelfuß 12 zur
Befestigung an einem Turbinenläufer
und einem Schaufelkorpus 14 zur Umsetzung der thermischen
Energie des Dampfes in mechanische Dreharbeit am Turbinenläufer.
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Eine
Besonderheit der Schaufel 10 besteht darin, dass deren
im Wesentlichen gesamte Oberfläche
durch ein Faserverbundmaterial 16 mit einer Matrix und
darin eingebetteten Fasern ausgebildet ist und die Matrix zumindest
in einem schaufeloberflächennahen
Volumenbereich darin verteilt angeordnete Nanopartikel enthält. Alternativ
oder zusätzlich können die
Nanopartikel direkt an der Schaufeloberfläche (an der äußeren Matrixoberfläche) angelagert sein.
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Bei
dem Faserverbundmaterial 16 handelt es sich z. B. um eine
Glasfaser-Epoxidharz-Verbund, wobei der Faseranteil im Mate rial 16 etwa
50 Vol.-% beträgt
und wobei die Nanopartikel z. B. im Wesentlichen sphärische Partikel
aus Siliziumkarbid mit einem typischen (z. B. mittleren) Durchmesser
von etwa 10 bis 30 nm sind, deren Anteil im Volumen der Matrix etwa
10 bis 20 Gew.-% beträgt
und zur Schaufeloberfläche
hin ansteigt (auf z. B. über
70 Gew.-%).
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Bei
der Herstellung der Schaufel 10 wurde zunächst aus
einem ”weiteren
Faserverbundmaterial” (welches
sich von dem Material 16 unterscheidet), alternativ aus
einem metallischen Material wie z. B. Stahl oder Titan, der Schaufelfuß 12 mit
einem einstückig
damit verbundenen Schaufelkern 18, der hohl oder massiv
sein kann, ausgebildet. Anschließend wurde die gesamte Oberfläche des
Faserverbundschaufelkerns 18 mit einer Schicht des Faserverbundmaterials 16 versehen,
also mit diesem Material beschichtet.
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Hierzu
besteht eine Möglichkeit
darin, ein noch nicht verfestigtes Matrixmaterial (z. B. Epoxidharz)
mit Glasfasern bzw. Glasfaserabschnitten, den Nanopartikeln und
einem Härter
(zur Bildung eines Reaktionsharzsystems) zu vermischen und auf den Schaufelkern 18 aufzubringen.
Zur Realisierung des erwähnten
Anstiegs der Nanopartikelkonzentration zur Schaufeloberfläche hin
kann z. B. vorgesehen sein, zusätzlich
Nanopartikel in ansteigender Menge in eine zur Infiltration verwendete
Kunstharzströmung
einzudosieren und/oder nach Abschluss der Infiltration solche zusätzlichen
Nanopartikel direkt an der Matrixoberfläche und/oder in das oberflächliche Matrixvolumen
hineinreichend anzulagern. Letzteres gelingt relativ einfach und
mit gutem Ergebnis, wenn die Anlagerung an die noch nicht ausgehärtete (oder jedenfalls
nicht vollständig
ausgehärtete)
Matrix erfolgt.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, zunächst
die Glasfasern in Form eines Halbzeuges (z. B. Glasfasergelege etc.)
auf die Oberfläche
des Schaufelkerns 18 zu drapieren und das Harzsystem samt
Nanopartikeln in einem weiteren Schritt (Infiltration) aufzubringen.
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Derartige
Verfahren zur Ausbildung eines Faserverbundmaterials sind aus dem
Stand der Technik vielfältig
bekannt und bedürfen
daher hier keiner näheren
Erläuterung.
Beispielsweise kann zur Infiltration und nachfolgenden Aushärtung (z.
B. thermisch) des Matrixmaterials ein beheizbares Formwerkzeug verwendet
werden.
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Bei
den oben geschilderten Varianten zur Herstellung der Turbinenschaufel 10 können Nanopartikel
auch bereits am betreffenden Fasermaterial angelagert sein, bevor
dieses mit dem flüssigen
bzw. zähflüssigen Matrixmaterial
infiltriert wird. Dies alternativ oder zusätzlich zu einer Integration
von Nanopartikeln während
und/oder nach der Infiltration.
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Aufgrund
des Faserverbundanteils der hieraus resultierenden Schaufel 10 ergibt
sich ein vorteilhaft verringertes Gewicht im Vergleich zu einer
aus Metall hergestellten Schaufel. Die oberflächliche Schicht des Faserverbundmaterials 16 führt außerdem insbesondere
bei im Wesentlichen homogener Verteilung der Nanopartikel in der
Matrix und/oder an der Matrixoberfläche zu einer beträchtlichen
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bzw. Erhöhung der
Erosionsbeständigkeit
und damit zu einer Entschärfung
des Problems der Tropfenschlagerosion im Falle des Einsatzes im
Niederdruckbereich einer Kondensationsdampfturbine.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende
Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch
einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei
wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits
beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich
auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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3 zeigt
eine Schaufel 10a gemäß eines weiteren
Ausführungsbeispiels.
Im Unterschied zu der Schaufel 10 gemäß 2 wurde
bei der Schaufel 10a lediglich ein radial äußerster
Abschnitt der Schaufeloberfläche
durch ein Faserverbundmaterial 16a der bereits beschriebenen
Art ausgebildet.
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Das
Faserverbundmaterial 16a bildet im dargestellten Beispiel
gewissermaßen
eine radial äußere Kappe
der Schaufel 10. In diesem Bereich bewirkt eine Massereduzierung
eine besonders effiziente Reduzierung der Fliehkraftbeanspruchung
im Turbinenbetrieb (relativ großer
Abstand von der Drehachse). Außerdem
unterliegt dieser Bereich im Betrieb einer relativ großen Tropfenschlagbeanspruchung (relativ
große
Umfangsgeschwindigkeit).
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Alternativ
zur Ausbildung eines auf der Schaufeloberfläche zusammenhängenden
Bereiches aus dem Faserverbundmaterial 16a kommt in Betracht,
mehrere separate Bereiche der Schaufeloberfläche in dieser Art zu modifizieren.
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4 zeigt
eine Turbinenschaufel 10b, beispielsweise der oben bereits
beschriebenen Art, und veranschaulicht im rechten Teil der Figur
in einer vergrößerten schematischen
Darstellung eine im Rahmen der Erfindung bevorzugte ungeordnete
Anordnung der Fasern in einem betreffenden Oberflächenabschnitt 16b.
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In
dieser Darstellung im rechten Teil der 4 ist außerdem eine
in diesem Beispiel relativ eng um eine mittlere Faserlänge herum
variierende Länge
der einzelnen Fasern veranschaulicht.
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Die
Faserorientierung innerhalb der Oberflächenebene ist hierbei ”völlig ungeordnet” bzw. stochastisch.
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5 veranschaulicht
in einer dem rechten Teil von 4 entsprechenden
Darstellung eine ebenfalls ungeordnete Faserorientierung, die jedoch eine
Vorzugsrichtung (in der Figur vertikal) aufweist.
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Eine
bevorzugte Verwendung der oben beschriebenen Turbinenschaufeln und/oder
der wie oben beschrieben hergestellten Turbinenschaufeln ergibt
sich zur Bereitstellung von Laufschaufeln in einem Niederdruckbereich,
insbesondere der Endstufe, einer Dampfturbine.