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Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Turbinenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Die Erfindung betrifft ferner eine Turbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Montage einer Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Um die Leistung und den Wirkungsgrad zukünftiger Turbinen beziehungsweise Turbinenanlagen, nachfolgend auch nur kurz als Turbine bezeichnet, zu steigern, wird angestrebt, die Durchströmfläche insbesondere einer letzten Turbinenstufe bei einer mehrstufigen Turbine bzw. die Drehzahl der Turbine zu vergrößern. Herkömmliche Werkstoffe für die in der Turbine eingesetzten Turbinenschaufeln der dort eingesetzten Turbinenwellen wie Stahl oder Titan stoßen heute bereits an ihre physikalischen Grenzen.
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Eine Verbesserung ist hier erzielt, wenn für die Turbinenschaufeln zumindest einer letzten Turbinenstufe einer mehrstufigen Turbine, das heißt, einer hintersten und damit kühlsten Turbinenstufe, Faserverbundwerkstoffe mit gewichtsbezogen hohen spezifischen Festigkeiten verwendet sind. Eine solche Turbinenschaufel weist dabei einen Schaufelfuß auf, mit dem die Turbinenschaufel an einer zum Beispiel aus Stahl bestehenden Turbinenwelle einer betreffenden Turbine befestigt ist. Die Turbinenwelle wiederum weist für den Schaufelfuß der Turbinenschaufel eine Nut auf, in die der Schaufelfuß der Turbinenschaufel nach einer Montage der Turbinenschaufel an die betreffende Turbinenwelle montiert ist.
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Die Tragfähigkeit von Schaufelfüßen aus Faserverbundwerkstoffen wird jedoch häufig durch Spannungsüberhöhungen an Stellen des Schaufelfußes, an denen sich der Schaufelfuß an entsprechenden Wandabschnitten der Nut der Turbinenwelle im montierten Zustand abstützt, infolge von auftretenden Punkt- und Linienbelastungen herabgesetzt. Diese lokalen Belastungen des Schaufelfußes ergeben sich aus Form- und Lagedifferenzen zwischen dem Schaufelfuß der Turbinenschaufel und den betreffenden Wandabschnitten in der Nut der Turbinenwelle, in der der Schaufelfuß verankert ist.
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Die Stellen des Schaufelfußes, die sich an entsprechenden Wandabschnitten der Nut der Turbinenwelle abstützen, können dabei als Flanken ausgebildet sein, durch die eine erhöhte Haltekraft des Schaufelfußes in der Nut der Turbinenwelle erzielt ist. Die Flanken wiederum können Teil beispielsweise einer Tannenform sein, die der Schaufelfuß hat und mit der der Schaufelfuß in eine zugehörige Nut der Turbinenwelle, die eine entsprechende Gegenform zur Tannenform des Schaufelfußes hat, einzuschrauben ist.
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In Dampf- oder stationären Gasturbinenanlagen, nachfolgend auch nur kurz als Dampf- oder Gasturbinen bezeichnet, werden derzeit ausschließlich metallische Turbinenschaufeln eingesetzt. Hier treten ebenfalls Differenzen bei Form und Lage des Schaufelfußes einer Turbinenschaufel und der betreffenden zugeordneten Nut einer Turbinenwelle auf. Um dabei die aus den Punkt- und Linienbelastungen resultierenden Spannungsüberhöhungen möglichst gering zu halten, werden immense Aufwände bei der Fuß- und Nutbearbeitung der Turbinenschaufel und der Turbinenwelle betrieben.
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Bei der Montage der Turbinenschaufel an eine zugehörige Turbinenwelle wird ein Schaufelfuß der Turbinenschaufel in eine zur Form des Schaufelfußes eine entsprechende Gegenform aufweisende Nut der Turbinenwelle eingefügt.
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US 4 820 126 A offenbart ein Laufrad einer Turbine, auf welchem eine Turbinenschaufel befestigbar ist. Das Laufrad weist Nuten auf, in welchen jeweils ein entsprechend geformter Endbereich der Turbinenschaufel eingeschoben werden kann. Auf bestimmten Oberflächen im Fußbereich der Turbinenschaufel können super-plastische Metallwerkstoffe aufgebracht werden. Unter Einwirkung von Hitze werden die super-plastischen Schichten deformiert, so dass eine Befestigung zwischen der Turbinenschaufel und dem Laufrad
10 geschaffen wird.
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US 2005/0260078 A1 offenbart eine Turbinenschaufel aus Verbundmaterial. Eine Hülse ist um ein Fußende der Turbinenschaufel gewickelt. Die Hülse dient dazu, den Schichtverbund der Turbinenschaufeln zusammenzuhalten.
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US 5 366 344 A offenbart eine Turbinenschaufel, welche in einer Nut eines Laufrades angeordnet ist. Die Schaufel besteht beispielsweise aus einer Nickelbeschichtung. Die Schaufel und das Laufrad werden beispielsweise mittels Reibungsschweißen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von einer Turbinenschaufel, einer Turbinenwelle und einer Turbinenanlage jeweils der eingangs genannten Art, die Turbinenschaufel, die Turbinenwelle und die Turbinenanlage in der Weise technisch zu verbessern, dass die Tragfähigkeit eines aus Faserverbundwerkstoff bestehenden Schaufelfußes einer Turbinenschaufel, die mit dem Schaufelfuß in einer Nut einer Turbinenwelle einer Turbine montiert ist, durch Verringerung von Spannungsüberhöhungen an Stellen des Schaufelfußes, an denen sich der Schaufelfuß an entsprechenden Wandabschnitten der Nut der Turbinenwelle abstützt, erhöht ist und damit die Lebensdauer der Turbinenschaufel, der Turbinenwelle und der Turbinenanlage verlängert ist.
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Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art, dieses Verfahren in der Weise technisch zu verbessern, dass damit die Lebensdauer der Turbinenschaufel und damit eine Turbinenwelle mit einer solchen Turbinenschaufel und eine Turbinenanlage mit einer Turbinenwelle mit einer solchen Turbinenschaufel erhöht ist.
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Bezüglich der Turbinenschaufel ist die Aufgabe durch eine Turbinenschaufel gelöst, die die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist. Bezüglich der Turbinenwelle ist die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Turbinenwelle gelöst, die die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 5 aufweist. Bezüglich der Turbinenanlage ist die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Turbinenanlage gelöst, die die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 6 aufweist. Bezüglich des Verfahrens ist die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10 angegebenen Verfahrensschritt aufweist.
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Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, dass die Tragfähigkeit eines aus Faserverbundwerkstoff bestehenden Schaufelfußes einer Turbinenschaufel durch Verringerung von Spannungsüberhöhungen an kritischen Stellen in einer Nut einer Turbinenwelle, in der sich der Schaufelfuß in einem montierten Zustand abstützt, erhöht wird, wodurch sich gleichzeitig die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel, der Turbinenwelle und der Turbinenanlage verlängert.
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Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden die Flächen eines betreffenden Schaufelfußes möglichst genau an die Flächen einer betreffenden, als Montageort dienenden Nut einer betreffenden Turbinenwelle angepasst. Dadurch werden Spannungsüberhöhungen in Folge von Punkt- und Linienbelastungen deutlich verringert. Dies steigert die Tragfähigkeit des Faserverbundfußes erheblich und verlängert damit die Lebensdauer von betreffenden Turbinenschaufeln, Turbinenwellen und Turbinenanlagen. Durch Erwärmen des aus Faserverbundwerkstoff bestehenden Schaufelfußes wird die begrenzte Formbarkeit der im Allgemeinen duromeren Matrixsysteme im Faserverbundwerkstoff für die Anformung an bestehende Geometrien ausgenutzt.
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Die erfindungsgemäße Turbinenwelle weist wenigstens eine einzige erfindungsgemäße Turbinenschaufel auf, wodurch die Vorteile der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel auf die Turbinenwelle übergehen.
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Die erfindungsgemäße Turbinenanlage weist wenigstens eine einzige erfindungsgemäße Turbinenwelle auf, wodurch die Vorteile der erfindungsgemäßen Turbinenwelle auf die Turbinenanlage übergehen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Schaufelfuß einer aus Faserverbundwerkstoff gefertigten Turbinenschaufel bei der Montage, das heißt, unmittelbar vor, während oder nach dem Einfügen des Schaufelfußes in die Nut der Turbinenwelle, an der Turbinenwelle durch eine von einer Heizvorkehrung bewirkte Wärmeeinwirkung und infolge dieser Wärmeeinwirkung durch eine Selbstanpassung in der Passform besonders fein an die Form der Nut der Turbinenwelle angeglichen. Im Ergebnis werden dadurch die erfindungsgemäßen Vorteile erzielt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Danach weist die erfindungsgemäße Turbinenschaufel Flanken auf, die mit durch Wärmeeinwirkung plastisch verformbaren Elementen bestückt sind.
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Die Flanken ermöglichen je nach einer Ausgestaltung eine entsprechend verstärkte Befestigung in der Nut der Turbinenwelle. Die durch Wärmeeinwirkung plastisch verformbaren Elemente unterbinden bei einer entsprechenden Wahl aufgrund ihrer geringen Steifigkeit die Induzierung extremer Spannungsüberhöhungen und schützen die Faserverbundstruktur des Schaufelfußes vor Temperaturüberhöhungen, beispielsweise infolge einer Mikroreibung zwischen dem Schaufelfuß und der Nut, in der der Schaufelfuß montiert ist.
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Die unter Wärmeeinwirkung plastisch verformbaren Elemente helfen, die Flächen von Schaufelfuß und Nut aneinander anzupassen, und zwar dadurch, dass auch sie sich bei Wärmeeinwirkung an die vorhandenen Geometrien anpassen.
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Für die plastisch verformbaren Elemente sind verstärkte oder unverstärkte Thermoplaste verwendbar. Sie können mit Materialstreifen mit einer Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm realisiert sein.
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Die für die Wärmeeinwirkung auf den Schaufelfuß einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel eingesetzte Heizvorkehrung ist erfindungsgemäß im Schaufelfuß selbst integriert, sie kann aber nicht erfindungsgemäß auch außerhalb des Schaufelfußes angeordnet sein. Beispielsweise kann sie nicht erfindungsgemäß in einer betreffenden Turbinenwelle integriert oder sowohl außerhalb des Schaufelfußes als auch außerhalb der Turbinenwelle angeordnet sein. Sie kann nicht erfindungsgemäß durch Heizstrahler oder Ähnliches gebildet sein. Die Heizvorkehrung kann in der Weise konzipiert sein, dass ihre Wirkung auf dem physikalischen Prinzip von Mikroreibung oder Mikrowelle basiert.
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Eine Turbinenwelle kann nach wie vor aus Stahl gefertigt sein.
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Die Turbinenanlage kann eine Gas- oder Dampfturbinenanlage sein.
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Um die Temperatureinwirkung auf die erfindungsgemäße Turbinenschaufel beziehungsweise erfindungsgemäße Turbinenwelle in Grenzen zu halten, kann bei einer mehrstufigen Turbinenanlage wenigstens die letzte, das heißt, hinterste Turbinenstufe, die in der Regel die kühlste Turbinenstufe ist, mit erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln beziehungsweise einer erfindungsgemäßen Turbinenwelle bestückt sein.
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Bei einer nicht erfindungsgemäßen Turbinenanlage kann die betreffende Heizvorkehrung abseits von einem betreffenden Schaufelfuß einer betreffenden Turbinenschaufel vorgesehen sein.
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Insbesondere kann die betreffende Heizvorkehrung nicht erfindungsgemäß abseits einer betreffenden Turbinenwelle angeordnet sein.
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Dabei kann die Heizvorkehrung in der Weise konzipiert sein, dass ihre Wirkung auf dem physikalischen Prinzip von Mikroreibung zwischen einer betreffenden Turbinenschaufel und einer betreffenden Turbinenwelle mit dieser Turbinenschaufel oder gemäß dem von Mikrowellen basiert.
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Auch bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zur Montage der betreffenden Turbinenschaufel an die betreffende Turbinenwelle wird die Wärmeeinwirkung gemäß dem physikalischen Prinzip von Mikroreibung zwischen der Turbinenschaufel und der Turbinenwelle oder gemäß dem von Mikrowellen bewirkt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Darin zeigt die einzige Figur in teilweiser Schnittdarstellung einen Bereich, in dem eine Turbinenschaufel 1 an einer Turbinenwelle 2 montiert ist. Die Turbinenwelle 2 ist dabei in Schnittdarstellung gezeigt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Turbinenschaufel 1 aus verstärktem Faserverbundwerkstoff realisiert.
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Die Montage der Turbinenschaufel 1 an der Turbinenwelle 2 erfolgt, indem der Schaufelfuß 3 der Turbinenschaufel 1 in die Nut 4 der Turbinenwelle 2 montiert wird.
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Gemäß dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Schaufelfuß 3 eine Tannenform, mit der der Schaufelfuß 3 und damit die Turbinenschaufel 1 in eine entsprechend gegen geformte Nut 4 der Turbinenwelle 2 eingesetzt beziehungsweise eingefügt wird. Andere Passformen als eine Tannenpassform sind aber ebenfalls denkbar.
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Unabhängig von der Passform zwischen dem Schaufelfuß 3 und der Nut 4 weist der Schaufelfuß 3 stets in irgendwelcher Form Flanken 5 auf, über die sich der Schaufelfuß 3 an entsprechenden Wandabschnitten 6 der Nut 4 im montierten Zustand abstützt.
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Gemäß der vorliegenden Figur sind die besagten Flanken 5 Teil der Tannenform des Schaufelfußes 3.
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Zur Vereinfachung der Figur sind in der Figur die Flanken 5 und die Wandabschnitte 6 nur jeweils einmal gekennzeichnet.
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Zur Verbesserung der Befestigung des Schaufelfußes 3 in der Nut 4 der Turbinenwelle 2 ist in der Nut 4 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Druckfeder 7 vorgesehen, durch die der Schaufelfuß 3 spielfrei mit den Flanken 5 an die den Flanken 5 gegenüberliegend angeordneten Wandabschnitte 6 der Nut 4 angedrückt ist.
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Der in der Figur gezeigten Anordnung aus Schaufelfuß 3 einer Turbinenschaufel 1 und Nut 4 einer Turbinenwelle 2, wobei der Schaufelfuß 3 in der Nut 4 montiert ist, ist eine Heizvorkehrung 8 zugeordnet, die in der Figur nur ganz allgemein dargestellt ist.
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Die Heizvorkehrung ist erfindungsgemäß im Schaufelfuß 3 integriert, als auch nach unterschiedlichen Wärmeerzeugungsprinzipen konzipiert sein. Im Ergebnis wirkt die von der Heizvorkehrung 8 erzeugte Wärme auf den Schaufelfuß 3 der Turbinenschaufel 1 und erzeugt beim Schaufelfuß 3 durch entsprechende plastische Formselbstanpassung eine besonders fein an die Form der Nut 4 angepasste Passform.
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Wie die Figur zeigt, sind die Flanken 5 des Schaufelfußes 3 mit durch Wärmeeinwirkung plastisch verformbaren Elementen 9 bestückt, durch die unter anderem bei Wärmeeinwirkung durch die besagte Heizvorkehrung eine weitere plastische Anpassung der Form des Schaufelfußes 3 der Turbinenschaufel 1 an die Form der Nut 4 der Turbinenwelle 2 bewerkstelligt ist.
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Zur Vereinfachung der Figur sind in der Figur die Elemente 9, wie schon zuvor die Flanken 5 und die Wandabschnitte 6, nur jeweils einmal gekennzeichnet.
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Die in der Figur gezeigte Turbinenschaufel 1 und Turbinenwelle 2 sind Teil einer Turbinenanlage, die in der Figur nicht näher dargestellt ist.
