DE102010004663A1

DE102010004663A1 - Turbine blade for use in low-pressure stage of steam turbine, has fiber composite material, where fiber composite material has area that is coated with protective layer

Info

Publication number: DE102010004663A1
Application number: DE201010004663
Authority: DE
Inventors: Christoph 01307 Ebert; Detlef Dr. 02828 Haje; Werner Prof. 01324 Hufenbach; Albert Dr. 01324 Langkamp; Markus 01896 Mantei
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-21

Abstract

The turbine blade (1) has fiber composite material (2), where the fiber composite material has an area that is coated with a protective layer (3). The protective layer is made of a material, whose elasticity module is smaller than the elasticity module of the fiber composite material. The elasticity module of the protective layer amounts between 1 Gigapascal and 10-2 Gigapascal.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, die zur Verwendung in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine gestaltet ist und die zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff enthält, wobei zumindest der den Faserverbundwerkstoff enthaltene Bereich, wenigstens bereichsweise mit einer Schutzschicht beschichtet ist.The invention relates to a turbine blade, which is designed for use in a low-pressure stage of a steam turbine and at least partially contains fiber composite material, wherein at least the area containing the fiber composite material, at least partially coated with a protective layer.

Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei einer Dampfturbine zu erzielen, muss der Dampf möglichst weit entspannt werden. Hierzu sind bei den Endstufenlaufschaufeln der Dampfturbine hohe Durchströmflächen notwendig. Durch die hierdurch erforderlichen großen Turbinenschaufellängen werden große Umfangsgeschwindigkeiten an der Turbinenschaufel erreicht. Die hohen Umfangsgeschwindigkeiten führen zum einen zu sehr hohen Fliegkräften und damit hohen Spannungen insbesondere am Schaufelfuß, zum anderen kommt es aufgrund von Tropfenschlag auf der Turbinenschaufel in Verbindung mit den hohen Umfangsgeschwindigkeiten zu einer Tropfenschlagerosion. Diese führt zu hohem Verschleiß und nicht selten zur vollständigen Zerstörung der Turbinenschaufel. Um die Fliehkraftbeanspruchung zu reduzieren wird an Stelle von hochfesten Stählen vermehrt Titan als Schaufelwerkstoff verwendet. Durch das geringere Gewicht der Titanschaufeln wird die Fliehkraftspannung reduziert. Um die Tropfenschlagerosion zu verringern werden derzeit zusätzlich nachfolgenden Maßnahmen einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt: Stufenentwässerung an der Turbinengehäusewand, Härtung der Eintrittskante der Laufschaufel, Ausführung von Absaugschlitzen in Hohlleitschaufeln und deren Beheizung. Die zuvor genannten Maßnahmen sind jedoch sehr aufwendig und mit zum Teil erheblichen Kosten verbunden.In order to achieve the highest possible efficiency in a steam turbine, the steam must be as far as possible relaxed. For this purpose, high flow areas are necessary in the end stage blades of the steam turbine. As a result of the large turbine blade lengths required in this way, large circumferential speeds are achieved on the turbine blade. On the one hand, the high circumferential velocities lead to very high fly forces and thus high stresses, in particular on the blade root, and, on the other hand, due to drop impact on the turbine blade in conjunction with the high peripheral speeds, drop impact erosion occurs. This leads to high wear and not infrequently to the complete destruction of the turbine blade. To reduce the centrifugal force, titanium is increasingly being used as a blade material instead of high-strength steels. The lower weight of the titanium blades reduces centrifugal force. In order to reduce the drop impact erosion, the following additional measures are currently additionally used individually or in combination: step drainage on the turbine housing wall, hardening of the leading edge of the blade, execution of suction slots in hollow guide vanes and their heating. However, the aforementioned measures are very complex and associated with sometimes considerable costs.

Aufgrund ihrer guten werkstofftechnischen Eigenschaften wird zunehmend über den Einsatz von Laufschaufeln aus faserverbundverstärktem Werkstoffen nachgedacht. Die faserverbundverstärkten Werkstoffe (Faserverbundwerkstoffe), insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe weisen eine außerordentlich hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig sehr niedriger Dichte auf, wobei das Verhältnis zwischen der Zugfestigkeit und der Dichte maßgebender Parameter für die mechanische Belastbarkeit der Schaufel ist. Nachteilig bei den Faserverbundwerkstoffen ist jedoch, die sehr geringe Widerstandfähigkeit gegenüber Tropfenschlagerosion. Schon bei geringem Tropfenschlag kommt es an den faserverbundverstärkten Werkstoffen zu erheblichen Schädigungen der Schaufeln.Due to their good material properties, the use of blades made from fiber composite reinforced materials is increasingly being considered. The fiber composite reinforced materials (fiber composites), in particular carbon fiber reinforced plastics have an extremely high tensile strength at the same time very low density, the ratio between the tensile strength and the density of relevant parameters for the mechanical load capacity of the blade. A disadvantage of the fiber composites, however, is their very low resistance to drop impact erosion. Even with a small drop of impact, the fiber composite reinforced materials cause considerable damage to the blades.

Die EP 1 788 197 A1 offenbart eine Turbinenschaufel, die aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist und die eine feuchtigkeitsundurchlässige Schutzschicht aufweist. Die feuchtigkeitsundurchlässige Schutzschicht sorgt dafür, dass die Feuchtigkeit nicht in den Faserverbundwerkstoff eindringen kann und ihn so schwächt. Die Schutzschicht hat jedoch den Nachteil, dass sie bei hohen Erosionsbeanspruchungen weiterhin leicht beschädigt und abgetragen werden kann. Sie bietet daher keinen ausreichenden Schutz gegen Tropfenschlagerosion.The EP 1 788 197 A1 discloses a turbine blade formed from a fiber composite and having a moisture impermeable protective layer. The moisture-proof protective layer ensures that the moisture can not penetrate into the fiber composite and thus weakens it. However, the protective layer has the disadvantage that it can still be easily damaged and eroded at high erosion stresses. It therefore does not provide adequate protection against drop impact erosion.

Der Erfindung liegt, ausgehend vom Stand der Technik, die Aufgabe zu Grunde, eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Endstufenlaufschaufel auszubilden, die wenigstens bereichsweise aus einem Faserverbundwerkstoff besteht und die dauerhaft unempfindlich gegen Erosion ist.Based on the prior art, the invention is based on the object of forming a turbine blade, in particular an end-stage blade, which at least partially consists of a fiber composite material and which is permanently insensitive to erosion.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1.The object is solved by the features of independent claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel, die zur Verwendung in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine gestaltet ist und die zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff enthält, wobei zumindest der den Faserverbundwerkstoff enthaltene Bereich, wenigstens bereichsweise mit einer Schutzschicht beschichtet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Schutzschicht aus einem Material besteht, dessen Elastizitätsmodul (E-Modul) kleiner ist, als der Elastizitätsmodul des Faser verbundwerkstoffes. Der Elastizitätsmodul beschreibt das Verhältnis zwischen der Änderung der mechanischen Spannung zur Änderung der Dehnung. E = dσ zu dυ. Dabei bezeichnet σ die mechanische Spannung (Normalspannung) und υ die Dehnung. Die Dehnung ist das Verhältnis von Längenänderung zur ursprünglichen Länge. Ein Bauteil mit einem hohen Elastizitätsmodul gilt als steif, ein Bauteil aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul als nachgiebig. Der Vorteil eines nachgiebigen Materials besteht darin, dass es die Energie eines aufschlagenden Tropfens besser absorbieren kann. Wird die Schutzschicht der Turbinenschaufel aus einem Material mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul als der des Faserverbundwerkstoffes gefertigt, so kann die Schutzschicht besser die Aufprallenergie des Tropfens aufnehmen und damit das darunterliegende Material der Turbinenschaufel vor Beschädigungen aufgrund Tropfenerosion schützen. Der E-Modul eines Faserverbundwerkstoffes ist nicht einheitlich, sondern variiert in Abhängigkeit von der Zugrichtung. Wenn wir nachfolgend vom E-Modul des Faserverbundwerkstoffes sprechen ist damit der E-Modul gemeint, der sich bei einem Zugversuch senkrecht zu den Fasern des Faserverbundwerkstoffes ergibt.Advantageous embodiments and developments, which are used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims. The turbine blade according to the invention, which is designed for use in a low pressure stage of a steam turbine and at least partially contains fiber composite material, wherein at least the area containing the fiber composite material, at least partially coated with a protective layer, is characterized in that the protective layer consists of a material, whose elastic modulus (modulus of elasticity) is smaller than the modulus of elasticity of the fiber composite material. The modulus of elasticity describes the relationship between the change of stress to change the strain. E = dσ to dυ. Here σ denotes the mechanical stress (normal stress) and υ the strain. Elongation is the ratio of length change to original length. A component with a high modulus of elasticity is considered to be stiff, a component made of a material with a low modulus of elasticity as yielding. The advantage of a compliant material is that it can better absorb the energy of an impacting drop. When the protective layer of the turbine blade is made of a material having a lower modulus of elasticity than that of the fiber composite, the protective layer may better absorb the impact energy of the droplet and thus protect the underlying turbine blade material from damage due to drop erosion. The modulus of elasticity of a fiber composite material is not uniform, but varies depending on the pulling direction. When we speak below of the modulus of elasticity of the fiber composite material is meant the modulus of elasticity, which results in a tensile test perpendicular to the fibers of the fiber composite material.

Eine erfindungsgemäße bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Elastizitätsmodul der Schutzschicht zwischen 1 GPa und 10^–2 GPa beträgt. Bei höheren Elastizitätsmodulen wird der Werkstoff bzw. die Schutzschicht zu steif, so dass sie nicht genügend Aufprallenergie von den aufschlagenden Tropfen absorbieren kann, so dass die Aufprallenergie weiterhin für eine schnelle Zerstörung der Turbinenschaufel sorgt. Bei einem Elastizitätsmodul kleiner 10^–2 GPa ist die Schutzschicht hingegen zu nachgiebig wodurch wiederum zu wenig Aufprallenergie absorbiert wird und die Turbinenschaufeln nicht hinreichend gegen Tropfenschlagerosion geschützt wäre.A preferred embodiment of the invention provides that the Young's modulus of the protective layer is between 1 GPa and 10 ^-2 GPa. For higher moduli of elasticity, the material or the protective layer becomes too stiff, so that it can not absorb enough impact energy from the impacting droplets, so that the impact energy continues to cause rapid destruction of the turbine blade. On the other hand, with a modulus of elasticity lower than 10 ^-2 GPa, the protective layer is too yielding, which in turn absorbs too little impact energy and the turbine blades would not be sufficiently protected against drop impact erosion.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht aus einem gummiartigen, elastischen oder viskoelastischen Werkstoff, insbesondere aus einem Kautschuk oder einem Polyurethan besteht. Gummiartige, elastische oder viskoelastische Werkstoffe haben einen E-Modul, der in dem günstigen Bereich zwischen 1 GPa und 10^–2 GPa liegt. Somit bieten sie eine optimale Dämpfung der Aufschlagsenergie, wodurch sich ein optimaler Schutz gegen Tropfenschlagerosion ergibt.A particularly advantageous embodiment of the invention provides that the protective layer consists of a rubber-like, elastic or viscoelastic material, in particular of a rubber or a polyurethane. Gummy, elastic or viscoelastic materials have an E-modulus which is in the favorable range between 1 GPa and 10 ^-2 GPa. Thus, they provide optimal damping of the impact energy, resulting in an optimal protection against drop impact erosion.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht nur auf den erosionsbeanspruchten Bereichen der Turbinenschaufel aufgebracht ist. Der am stärksten erosionsbeanspruchte Bereiche der Turbinenschaufel ist die Eintrittskante und an dieser insbesondere das obere/äußere Drittel. Ferner ist die Austrittskante der Schaufel insbesondere der wellennahe Bereich (unteres Drittel der Austrittskante) erosionbeansprucht. Eine Schutzschicht in diesen Bereichen schützt die Turbinenschaufel somit weitgehend vor Erosionsschäden. Eine vollständige Beschichtung der Turbinenschaufel ist nicht unbedingt erforderlich. Hierdurch können sich Fertigungs- und Materialkosten einsparen lassen.A further advantageous embodiment of the invention provides that the protective layer is applied only on the erosionsbeanspruchten areas of the turbine blade. The most erosion-stressed areas of the turbine blade is the leading edge and at this particular the upper / outer third. Furthermore, the trailing edge of the blade, in particular the region close to the shaft (lower third of the trailing edge), is erosion-stressed. A protective layer in these areas thus largely protects the turbine blade against erosion damage. A complete coating of the turbine blade is not essential. This can save manufacturing and material costs.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht an den erosionsbeanspruchten Bereichen der Turbinenschaufel verstärkt aufgebracht ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders dauerhafter Schutz durch die Schutzschicht in diesen Bereichen.A particularly advantageous embodiment of the invention provides that the protective layer is applied reinforced on the regions of the turbine blade which are subject to erosion. This results in a particularly durable protection by the protective layer in these areas.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht aus wenigstens einer Folie besteht. Durch die Verwendung von Folien mit einer definierten Schichtdicken können reproduzierbare Schichtdicken der Schutzschicht sichergestellt werden. Die Folien können vorgefertigt werden, so dass sich die Beschichtung mit der Folie als besonders einfach darstellt.A further advantageous embodiment of the invention provides that the protective layer consists of at least one film. By using films with a defined layer thicknesses, reproducible layer thicknesses of the protective layer can be ensured. The films can be prefabricated, so that the coating with the film is particularly easy.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht wenigstens eine Folie umfasst, die wasserundurchlässig ist. Durch die Verwendung von wasserundurchlässigen Folien kann der Matrixwerkstoff gegen das Eindringen von Wasser geschützt werden. Faserverbundwerkstoffe verlieren deutlich an Festigkeit wenn das Matrixmaterial Wasser aufnimmt. Dies kann durch die wasserundurchlässige Folie verhindert werden.A further particularly advantageous embodiment of the invention provides that the protective layer comprises at least one film which is impermeable to water. By using water-impermeable films, the matrix material can be protected against ingress of water. Fiber composites significantly lose their strength when the matrix material absorbs water. This can be prevented by the water-impermeable film.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht einen graduierten Schichtaufbau mit Folien unterschiedlicher Härte aufweist. Insbesondere bietet sich ein Schichtaufbau an, bei dem die Folienhärte von der Außenseite her hin zur Turbinenschaufel zunimmt. Die äußere Folie mit geringerer Härte absorbiert zunächst einen Großteil der Aufschlagenergie des Tropfens. Die nachfolgenden Folien können dann eine größere Härte aufweisen, da sie nur eine geringere Dämpfungswirkung erzielen müssen.Another particularly advantageous embodiment of the invention provides that the protective layer has a graduated layer structure with films of different hardness. In particular, a layer structure is suitable in which the film hardness increases from the outside to the turbine blade. The outer film of lesser hardness initially absorbs much of the impact energy of the droplet. The subsequent films can then have a greater hardness, since they only have to achieve a lower damping effect.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht wenigstens an der Oberfläche hydrophob ausgebildet ist. Durch die hydrophobe Ausbildung der Schutzschicht kann verhindert werden, das Wasser in die Schutzschicht und nachfolgend in den Faserverbundwerkstoff der Turbinenschaufel gelangt.A further advantageous embodiment of the invention provides that the protective layer is made hydrophobic at least on the surface. The hydrophobic formation of the protective layer can prevent the water from penetrating into the protective layer and subsequently into the fiber composite material of the turbine blade.

Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel, bestehend aus einem Faserverbundwerkstoff der ein Matrixwerkstoff und ein Faserwerkstoff umfasst, zeichnet sich ferner in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung dadurch aus, dass der Matrixwerkstoff hydrophob ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft verhindert werden, dass bei einer Beschädigung der Schutzschicht oder bei einer nur lokalen Ausbildung der Schutzschicht in den erosionsbeanspruchten Bereichen das Eindringen von Wasser bzw. Feuchtigkeit in den Matrixwerkstoff ausgeschlossen wird.The turbine blade according to the invention, comprising a fiber composite material comprising a matrix material and a fiber material, is further distinguished in a particular embodiment of the invention in that the matrix material is hydrophobic. This advantageously prevents the penetration of water or moisture into the matrix material if the protective layer is damaged or if the protective layer is only locally formed in the erosion-stressed areas.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Faserwerkstoff hydrophob ausgebildet ist. Hierdurch kann verhindert werden, dass die Fasern Feuchtigkeit aufnehmen und dadurch in ihrer Festigkeit geschwächt werden. Dies trägt zu einer erhöhten Betriebssicherheit der Turbinenschaufel bei.A further advantageous embodiment of the invention provides that the fiber material is hydrophobic. This can be prevented that the fibers absorb moisture and thus weakened in their strength. This contributes to increased reliability of the turbine blade.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die hydrophobe Eigenschaft durch die Zugabe von Nanopartikeln erzielt oder verstärkt wird. Durch die Zugabe geeigneter Nanopartikel kann ein Effekt ähnlich dem eines Lotusblattes erzielt werden.A particularly advantageous embodiment of the invention provides that the hydrophobic property is achieved or enhanced by the addition of nanoparticles. By adding suitable nanoparticles, an effect similar to that of a lotus leaf can be achieved.

Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:Exemplary embodiments and further advantages of the invention are explained below with reference to the figures. It shows:

1 eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel; 1 a turbine blade according to the invention;

2 einen Schnitt entlang der Linie II/II gemäß 1; 2 a section along the line II / II according to 1 ;

3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel; 3 A second embodiment of a turbine blade according to the invention;

4 eine Detailansicht einer Anströmkante gemäß der Detailansicht X in 2; 4 a detailed view of a leading edge according to the detail view X in 2 ;

5 eine Detailansicht des Faserverbundwerkstoffes mit Nanopartikel zur Verbesserung der hydrophoben Eigenschaften. 5 a detailed view of the fiber composite with nanoparticles to improve the hydrophobic properties.

Bei den Figuren handelt es sich jeweils um stark vereinfachte Darstellungen, bei denen nur die wesentlichen, zur Beschreibung der Erfindung notwendigen, Bauteile gezeigt sind. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile werden figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, each is a greatly simplified representations, in which only the essential, necessary to describe the invention, components are shown. The same or functionally identical components are cross-figured provided with the same reference numerals.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 1. Die Turbinenschaufel 1 weist einen Fußabschnitt 13 und einen Schaufelblattabschnitt 15 auf. Die Turbinenschaufel 1 ist insbesondere zur Verwendung in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine gestaltet. Der Fußabschnitt 13 weist einen Steckfuß 14 zur Befestigung der Turbinenschaufel 1 im Rotor (nicht dargestellt) auf. Der Schaufelblattabschnitt 15 ist aus Faserverbundwerkstoff 2 ausgebildet. Die Hauptfaserrichtung verläuft dabei vorzugsweise entlang einer Hauptachse 12 der Turbinenschaufel 1. Im Bereich des Fußabschnittes 13 weist der Schaufelblattabschnitt 15 eine Zusatzfaserverbundlage 16 auf, die der Verstärkung dient. Die Zusatzfaserverbundlage 16 enthält zusätzliche Fasern, die unter einem abweichenden Winkel gegenüber der Hauptachse 12 verlaufen und somit einer weiteren Versteifung des Schaufelblattabschnittes 15 dienen. Es ist auch möglich, mehrere Zusatzfaserverbundlagen 16 vorzusehen, die dann vorzugsweise spiegelsymmetrisch angeordnet werden, wodurch eine Verwindung der Turbinenschaufel 1 und insbesondere des Schaufelblattabschnitts 15 verringert bzw. vermieden wird. 1 shows a first embodiment of a turbine blade according to the invention 1 , The turbine blade 1 has a foot section 13 and an airfoil section 15 on. The turbine blade 1 is designed in particular for use in a low-pressure stage of a steam turbine. The foot section 13 has a plug-in foot 14 for fastening the turbine blade 1 in the rotor (not shown). The airfoil section 15 is made of fiber composite material 2 educated. The main fiber direction preferably runs along a major axis 12 the turbine blade 1 , In the area of the foot section 13 has the airfoil section 15 an additional fiber composite layer 16 on, which serves the reinforcement. The additional fiber composite layer 16 contains extra fibers that are at a different angle to the major axis 12 run and thus a further stiffening of the airfoil section 15 serve. It is also possible to have several additional fiber composite layers 16 provide, which are then preferably arranged mirror-symmetrically, whereby a distortion of the turbine blade 1 and in particular of the airfoil section 15 is reduced or avoided.

Zur Vermeidung von Tropfenschlagerosion und zum Schutz von eindringender Feuchtigkeit ist der Schaufelblattabschnitt 15 mit einer Schutzschicht 3 beschichtet. Die Schutzschicht 3 besteht aus einem Material, dessen Elastizitätsmodul kleiner ist als der Elastizitätsmodul des Faserverbundwerkstoffes 2. Der Elastizitätsmodul des Faserverbundwerkstoffes 2 wird dabei senkrecht zur Faserrichtung bestimmt. In Faserrichtung weist der Faserverbundwerkstoff 2 einen sehr hohen Elastizitätsmodul von bis zu 10³ GPa auf. Senkrecht zur Faserrichtung ist der Elastizitätsmodul des Faserverbundwerkstoffes 2 geringer, die Schutzschicht 3 weist idealer Weise ein Elastizitätsmodul zwischen 1 GPa und 10^–2 GPa auf und besteht aus einem gummiartigen, elastischen oder viskoelastischen Werkstoff, insbesondere aus einem Kautschuk oder einem Polyurethan. Gummiartige, elastische oder viskoelastische Werkstoffe haben den Vorteil, dass sie die Aufprallenergie der auftreffenden Tropfen sehr gut dämpfen können, wobei die Schutzschicht 3 im Wesentlichen elastisch verformt wird und sich nach Krafteinwirkung durch den Tropfen wieder in ihre ursprüngliche Form zurückgeht. Somit bietet die Schutzschicht 3 einen dauerhaften Schutz gegen Tropfenschlagerosion ohne selbst beschädigt zu werden.To avoid drop impact erosion and to protect against moisture penetration, the airfoil section is 15 with a protective layer 3 coated. The protective layer 3 consists of a material whose modulus of elasticity is smaller than the modulus of elasticity of the fiber composite material 2 , The modulus of elasticity of the fiber composite material 2 is determined perpendicular to the fiber direction. In the fiber direction, the fiber composite material 2 a very high modulus of elasticity of up to 10 ³ GPa. Perpendicular to the fiber direction is the modulus of elasticity of the fiber composite material 2 lower, the protective layer 3 ideally has a modulus of elasticity between 1 GPa and 10 ^-2 GPa and consists of a rubbery, elastic or viscoelastic material, in particular of a rubber or a polyurethane. Rubbery, elastic or viscoelastic materials have the advantage that they can dampen the impact energy of the impinging drops very well, with the protective layer 3 is deformed substantially elastically and is returned to its original shape after the action of force by the drop. Thus, the protective layer provides 3 a permanent protection against drop impact erosion without being damaged by yourself.

Die Schutzschicht 3 bietet darüber hinaus auch einen guten Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit in den Faserverbundwerkstoff 2. Feuchtigkeit im Faserverbundwerkstoff 2 sorgt für eine Abnahme der maximalen Zugfestigkeit und ist daher zu vermeiden.The protective layer 3 also provides good protection against the ingress of moisture into the fiber composite material 2 , Moisture in the fiber composite material 2 ensures a decrease in maximum tensile strength and should therefore be avoided.

2 zeigt den Schnitt II/II durch den Schaufelblattabschnitt 15 gemäß 1. Da in diesem Bereich des Schaufelblattabschnittes 15 eine große Blattdicke vorliegt, ist zur Gewichts- und Steifigkeitsoptimierung ein Füllkörper 17 vorgesehen, der von dem Faserverbundwerkstoff 2 umschlossen ist. Wie aus der 2 hervorgeht, ist der Schaufelblattabschnitt 15 zum Schutz gegen Tropfenschlagerosion und das Eindringen von Feuchtigkeit, vollständig mit der Schutzschicht 3 umschlossen. Die Schutzschicht 3 lässt sich besonders einfach auf die Turbinenschaufel 1 aufbringen, wenn sie als Folie 6, insbesondere als eine bereits vorgefertigte Folie, d. h. auf die Turbinenschaufel 1 zugeschnittene Folie 6 ausgebildet ist. Die Ausbildung der Schutzschicht 3 als Folie 6 bietet darüber hinaus den Vorteil, dass aufgrund der festgelegten Foliendicken die Schichtdicke der Schutzschicht 3 reproduzierbar ist. Gleichzeitig kann durch eine geeignete Auswahl von Folien die Schichteigenschaft beeinflusst werden. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Folien 6, 7, 8 an unterschiedlichen Stellen der Turbinenschaufeln 1 lässt sich die Eigenschaft der Schutzschicht 3 an die jeweils örtlichen Gegebenheiten anpassen. Weiterhin ist es möglich einen graduierten Schichtaufbau vorzunehmen, bei dem die viskoelastische/elastische Schutzschicht 3 mit Hilfe einer wasserundurchlässigen Schicht an der Turbinenschaufel 1 befestigt ist. Darüber hinaus kann bei einem graduierten Schichtaufbau auch eine Schichtung mit unterschiedlicher Härte vorgesehen sein. So kann die äußere Schicht eine geringere Härte und damit eine bessere Dämpfung aufweisen und die nachfolgenden Schichten können härter und damit widerstandfähiger ausgebildet werden. Neben einem Schichtaufbau und einer Beschichtung mit einer entsprechenden Folie kann selbstverständlich die Schutzschicht 3 auch durch andere Verfahren beispielsweise durch ein Tauchbad oder durch Aufspritzen auf die Turbinenschaufel aufgebracht werden. 2 shows the section II / II through the airfoil section 15 according to 1 , Because in this area of the airfoil section 15 there is a large sheet thickness, is a packing for weight and stiffness optimization 17 provided by the fiber composite material 2 is enclosed. Like from the 2 shows, is the airfoil section 15 to protect against drop impact erosion and the ingress of moisture, complete with the protective layer 3 enclosed. The protective layer 3 can be very easy on the turbine blade 1 when applied as a foil 6 , Especially as an already prefabricated film, ie on the turbine blade 1 cut film 6 is trained. The formation of the protective layer 3 as a foil 6 offers the additional advantage that due to the specified film thickness, the layer thickness of the protective layer 3 is reproducible. At the same time, the layer property can be influenced by a suitable selection of films. By using different slides 6 . 7 . 8th at different locations of the turbine blades 1 can be the property of the protective layer 3 adapt to the local conditions. Furthermore, it is possible to make a graduated layer structure in which the viscoelastic / elastic protective layer 3 with the help of a water-impermeable layer on the turbine blade 1 is attached. In addition, in a graduated layer structure, a layering with different hardness can be provided. Thus, the outer layer may have a lower hardness and thus a better damping and the subsequent layers can be made harder and thus more resistant. In addition to a layer structure and a coating with a corresponding film can of course the protective layer 3 also by other methods, for example by an immersion bath or be applied by spraying on the turbine blade.

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Turbinenschaufel 1. Die Turbinenschaufel 1 ist, wie in der Figur angedeutet, an einem Rotor 18 befestigt. Die Turbinenschaufel 1 ist dabei nur an den erosionsbeanspruchten Bereichen 4, 5 der Turbinenschaufel 1 aufgebracht bzw. an diesen Bereichen verstärkt zu der normalen Schutzschicht aufgebracht. Besonders erosionsgefährdet ist dabei die Anströmkante 4. Der einströmende Turbinendampf trifft zunächst auf die Anströmkante 4, so dass diese der größten Einschlagsenergie ausgesetzt ist. Anschließend strömt der Turbinendampf dann mit wesentlich verringerter Strömungsenergie an der Oberfläche des Schaufelblattabschnittes 15 vorbei und verursacht dort keine nennenswerten Schäden. Das Anbringen der Schutzschicht 3 im Bereich der Anströmkante 6 sorgt somit bereits für einen wesentlichen und wirkungsvollen Schutz der Turbinenschaufel 1 gegen Tropfenschlagerosion. Da im Betrieb der Dampfturbine die höchsten Umfangsgeschwindigkeiten am äußeren Ende der Turbinenschaufel 1 auftreten und damit dort auch die Aufschlagsenergie der Tropfen am höchsten ist, reicht es unter Umständen sogar aus, die Schutzschicht 3 nur, wie in 3 dargestellt, im äußeren Rand der Turbinenschaufel 1 anzubringen. Ob die Turbinenschaufel 1 vollständig mit einer Schutzschicht 3 versehen wird, oder ob die Schutzschicht 3 nur an den erosionsbeanspruchten Bereichen aufgebracht wird oder zusätzlich zu der vollständigen Beschichtung an den erosionsgefährdeten Bereichen verstärkt wird, ist jeweils am Einzelfall zu prüfen und zu entscheiden. Unter Umständen ist die hintere Abströmkante 5 insbesondere in der Nähe des Rotors ebenfalls erosionsbeansprucht. Dies gilt nicht für den normalen Betrieb, sondern für den Leerlauf, da häufig um eine Überhitzung der Bauteile zu verhindern Wasser von hinten in die Dampfturbine eingespritzt wird und die Tropfen auf die Abströmkante 5 auftreffen und dort für eine Tropfenschlagerosion sorgen können. Aus diesem Grund kann es sinnvoll sein auch diesen Bereich zusätzlich zu beschichten oder zu verstärken. 3 shows a second embodiment of a turbine blade 1 , The turbine blade 1 is, as indicated in the figure, on a rotor 18 attached. The turbine blade 1 is only on the erosionsbeanspruchten areas 4 . 5 the turbine blade 1 applied or applied to these areas reinforced to the normal protective layer. Particularly prone to erosion is the leading edge 4 , The incoming turbine steam initially strikes the leading edge 4 so that it is exposed to the largest impact energy. Subsequently, the turbine steam then flows at substantially reduced flow energy at the surface of the airfoil section 15 over and causes no significant damage there. The attachment of the protective layer 3 in the area of the leading edge 6 thus already ensures a substantial and effective protection of the turbine blade 1 against drop impact erosion. Since during operation of the steam turbine, the highest peripheral speeds at the outer end of the turbine blade 1 occur and thus the impact energy of the drops is highest, it may even be enough, the protective layer 3 just like in 3 shown in the outer edge of the turbine blade 1 to install. Whether the turbine blade 1 completely with a protective layer 3 is provided, or whether the protective layer 3 is only applied to the erosionsbeanspruchten areas or is amplified in addition to the complete coating on the erosion-prone areas, is in each case to examine and decide. Under certain circumstances, the rear trailing edge 5 especially in the vicinity of the rotor also erosionsbeansprucht. This does not apply to normal operation, but to idling, as water is frequently injected from the rear into the steam turbine and the drops onto the trailing edge to prevent overheating of the components 5 hit and there can provide for a drop impact erosion. For this reason, it may be useful to additionally coat or reinforce this area.

4 zeigt eine Detailansicht einer lokal auf die Turbinenschaufelkante aufgebrachten Schutzschicht 3. Die Schutzschicht 3 weist einen graduierten Schichtaufbau mit unterschiedlichen Folien 6, 7, 8 auf. Die Folie 8 ist als wasserundurchlässige Schicht auf der Schaufelblattoberfläche aufgebracht, und verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit in den Faserverbundwerkstoff 2. Auf die wasserundurchlässige Schicht 8 ist eine weitere Schicht 7 aufgebracht, die eine größere Härte als die darüberliegende Schicht 6 aufweist. Die äußere Schicht 6 ist möglichst elastisch/viskoelastisch ausgebildet, um somit eine möglichst große Menge an Aufschlagsenergie zu absorbieren und somit den Faserverbundwerkstoff 2 vor einer Beschädigung zu schützen. Idealerweise ist die Beschichtung so gewählt, dass sie sich nach dem Tropfeneinschlag vollständig in ihre ursprüngliche Form zurückbewegt. Die Beschichtung lässt sich, wie bereits erwähnt, am einfachsten mit Hilfe vorgefertigter Folien bewerkstelligen. Die Folien haben eine definierte Dicke, so dass die Schichtdicke der Schutzschicht 3 reproduzierbar ist. 4 shows a detailed view of a locally applied to the turbine blade edge protective layer 3 , The protective layer 3 has a graduated layer structure with different films 6 . 7 . 8th on. The foil 8th is applied as a water-impermeable layer on the airfoil surface and prevents moisture from entering the fiber composite 2 , On the water-impermeable layer 8th is another layer 7 applied, which has a greater hardness than the overlying layer 6 having. The outer layer 6 is as elastic / viscoelastic designed to absorb the highest possible amount of impact energy and thus the fiber composite material 2 to protect against damage. Ideally, the coating is chosen so that it completely moves back to its original shape after the drop impact. The coating can, as already mentioned, most easily accomplished with the aid of prefabricated films. The films have a defined thickness, so that the layer thickness of the protective layer 3 is reproducible.

Der Faserverbundwerkstoff 2 der Turbinenschaufel 1 besteht aus einem Matrixwerkstoff beispielsweise einem Epoxidharz und der eigentlichen Faser. Als Fasern sind insbesondere Glasfasern und/oder Kunststofffasern und/oder Kunststofffasern und/oder Aramidfasern geeignet.The fiber composite material 2 the turbine blade 1 consists of a matrix material such as an epoxy resin and the actual fiber. In particular, glass fibers and / or synthetic fibers and / or synthetic fibers and / or aramid fibers are suitable as fibers.

5 zeigt eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Turbinenschaufel 1. Die Detailansicht zeigt einen Schnitt durch die Turbinenschaufel 1. Die Turbinenschaufel 1 ist aus einem Faserverbundwerkstoff 2 ausgebildet, welcher aus einem Matrixwerkstoff 9 und einem Faserwerkstoff 10 besteht. Die Turbinenschaufel 1 ist des Weiteren mit einer Schutzschicht 3 versehen. Die Schutzschicht 3 ist so ausgebildet, dass sie wenigstens an ihrer Oberfläche hydrophob ausgebildet ist. Die hydrophobe Eigenschaft der Schutzschicht 3 kann vorteilhaft durch die Zugabe von entsprechenden Nanopartikeln erzielt oder verbessert werden. Durch eine geeignete Auswahl an Nanopartikeln lässt sich ein dem Lotusblatt ähnlicher Effekt erzielen. Durch die hydrophobe Ausbildung der Oberfläche kann wirkungsvoll verhindert werden, dass Feuchtigkeit in den Matrixwerkstoff 9 sowie in den Faserwerkstoff 10 eindringen. Feuchtigkeit im Faserverbundwerkstoff 2 führt zum einen zu einer Gewichtszunahme der Turbinenschaufel 1 und damit zu erhöhtem Zugkräften insbesondere im Fußabschnitt 13 der Turbinenschaufel 1, zum anderen kann die Feuchtigkeit zum Aufquellen des Faserwerkstoffes und damit zu einer Schwächung der Fasern führen. 5 shows a detailed view of another embodiment of a turbine blade 1 , The detail view shows a section through the turbine blade 1 , The turbine blade 1 is made of a fiber composite material 2 formed, which consists of a matrix material 9 and a fiber material 10 consists. The turbine blade 1 is further provided with a protective layer 3 Mistake. The protective layer 3 is formed so that it is hydrophobic at least on its surface. The hydrophobic property of the protective layer 3 can be advantageously achieved or improved by the addition of corresponding nanoparticles. A suitable selection of nanoparticles can achieve a similar effect to the lotus leaf. The hydrophobic formation of the surface can effectively prevent moisture in the matrix material 9 as well as in the fiber material 10 penetration. Moisture in the fiber composite material 2 on the one hand leads to an increase in weight of the turbine blade 1 and thus to increased tensile forces, especially in the foot section 13 the turbine blade 1 On the other hand, the moisture can lead to swelling of the fiber material and thus to a weakening of the fibers.

Zusätzlich oder alternativ zur hydrophoben Schutzschicht 3 kann auch der Matrixwerkstoff 9 hydrophob ausgebildet sein. Der hydrophobe Effekt lässt sich wiederum durch die Zugabe geeigneter Nanopartikel erzielen bzw. verstärken. Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich den Faserwerkstoff 10 hydrophob auszubilden, wobei wiederum eine Zugabe von Nanopartikeln den hydrophoben Effekt erzielen bzw. verstärken kann. Der Faserwerkstoff 10 kann zur Erreichung eines hydrophoben Effekts zusätzlich oder alternativ beschichtet oder oberflächenbehandelt (z. B. aufgeraut) werden.Additionally or alternatively to the hydrophobic protective layer 3 can also be the matrix material 9 be formed hydrophobic. The hydrophobic effect can in turn be achieved or enhanced by the addition of suitable nanoparticles. In addition, it is also possible the fiber material 10 form hydrophobic, in turn, an addition of nanoparticles can achieve or enhance the hydrophobic effect. The fiber material 10 may additionally or alternatively be coated or surface treated (e.g., roughened) to achieve a hydrophobic effect.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1788197 A1 [0004]

Claims

Turbine blade ( 1 ) which is designed for use in a low pressure stage of a steam turbine and at least partially fiber composite material ( 2 ), wherein at least the fiber composite material ( 2 ), at least in regions with a protective layer ( 3 ), characterized in that the protective layer ( 3 ), consists of a material whose modulus of elasticity is smaller than the modulus of elasticity of the fiber composite material ( 2 ).

Turbine blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the modulus of elasticity of the protective layer ( 3 ) between 1 GPa and 10 ^-2 GPa.

Turbine blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the protective layer ( 3 ) consists of a rubbery, elastic or viscoelastic material, in particular of a rubber or a polyurethane.

Turbine blade ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the protective layer ( 3 ) only on the erosion-stressed areas ( 4 . 5 ) of the turbine blade ( 1 ) is applied.

Turbine blade ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the protective layer ( 3 ) at the erosion-stressed areas ( 4 . 5 ) of the turbine blade ( 1 ) is more applied.

Turbine blade ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the protective layer ( 3 ) of at least one film ( 6 ) consists.

Turbine blade ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the protective layer ( 3 ) at least one film ( 8th ) which is water impermeable.

Turbine blade ( 1 ) according to claim 6 or 7, characterized in that the protective layer ( 3 ) a graduated layer structure with foils ( 6 . 7 ) of different hardness.

Turbine blade ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the protective layer ( 3 ), at least on the surface ( 8th ), is hydrophobic.

Turbine blade ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the fiber composite material ( 2 ) a matrix material ( 9 ) and a fiber material ( 10 ), characterized in that the matrix material ( 9 ) is hydrophobic.

Turbine blade ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the fiber composite material ( 2 ) a matrix material ( 9 ) and a fiber material ( 10 ), characterized in that the fiber material ( 10 ) is hydrophobic.

Turbine blade ( 1 ) according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the hydrophobic property by the addition of nanoparticles ( 11 ) is achieved or strengthened.