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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Laufschaufel für eine Dampfturbine, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel.
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Stand der Technik
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Bekannte Turbinenschaufeln werden üblicherweise hohl oder massiv aus einem metallischen Werkstoff wie beispielsweise Stahl oder Titan hergestellt, und werden beispielsweise für Dampfturbinen benötigt. 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 beispielsweise 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 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. 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 diese Tropfenschlagerosion selbst gehärteter Stahl abgetragen werden kann, besteht ein hohes Interesse an Turbinenschaufeln, welche der Beanspruchung durch Tropfenschlagerosion widerstehen können.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 061 573 A1 offenbart eine Turbinenschaufel, welche einen Faserverbundwerkstoff aufweist, der mit einer Schutzschicht versehen ist, die eine höhere Schlagzugzähigkeit aufweist als der Faserverbundwerkstoff.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht daher in einer Turbinenschaufel, mit einem Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt zumindest teilweise eine superhydrophile Oberflächenbeschichtung aufweist. Die superhydrophile Oberflächenbeschichtung führt zu einer kompletten Spreitung von Wasser und zur Ausbildung eines dünnen Wasserfilms über die Oberflächenbeschichtung hinweg, welcher bei einem Auftreffen von Wassertropfen auf die Turbinenschaufel die Aufprallenergie dissipieren kann und somit vorteilhafterweise das darunter liegende Schaufelblattmaterial vor Tropfenschlagerosion schützt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Schaufelblatt vollständig mit der superhydrophilen Oberflächenbeschichtung überzogen sein. Dies bietet den Vorteil, dass das gesamte Schaufelblatt gegenüber Tropfenschlagerosion geschützt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die superhydrophile Oberflächenbeschichtung Titandioxid, insbesondere Anatas-Titandioxid, umfassen. Anatas-Titandioxid bietet sehr gute superhydrophile Eigenschaften, insbesondere weist Anatas-Titandioxid für Wasser einen Kontaktwinkel von unter 5° auf.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die superhydrophile Oberflächenbeschichtung Titannitrid oder Titanoxinitrid umfassen. Titannitrid weist vorteilhafterweise eine besondere Härte und Korrosionsbeständigkeit auf, welches die Lebensdauer von Turbinenschaufeln verlängern kann. Dabei können vorteilhafterweise die relativ schlechten Verschleißeigenschaften durch das Nitrieren verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Schichtdicke der superhydrophilen Oberflächenbeschichtung zwischen 10 nm bis einige Mikrometer, insbesondere bei Titannitrid, betragen. Mit dieser Dicke ist die Ausbildung eines zusammenhängenden, fest an der Oberfläche haftenden ausreichend dicken Wasserfilms zur Dissipierung von kinetischer Energie auftreffender Wassertropfen besonders gut gewährleistet, ohne dass die Oberflächenbeschichtung zu Rissbildung neigt. Titanoxid und insbesondere Titannitrid Oberflächen sind stabil.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Schaufelblatt ein Schaufelmaterial aufweisen, welches gehärteten Stahl oder Titan umfasst. Dies verbessert die mechanischen Eigenschaften der Turbinenschaufel.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt eine Dampfturbine mit mindestens einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel, mit den Schritten des Fertigens eines Schaufelblatts einer Turbinenschaufel aus gehärtetem Stahl oder Titan, und des Aufbringens einer superhydrophilen Oberflächenbeschichtung auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Schaufelblatts.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Erhöhens der Oberflächenrauigkeit der superhydrophilen Oberflächenbeschichtung aufweisen. Mit einer erhöhten Oberflächenrauigkeit kann die Wasserfilmdicke in der Oberflächenbeschichtung vergrößert werden, so dass die Energieabsorptionseigenschaften des Wasserfilms vorteilhafterweise verbessert werden.
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Weitere Modifikationen und Variationen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Verschiedene Ausführungsformen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben, in denen
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1 eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel gemäß einem Aspekt der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel in höherem Detail gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Turbinenschaufel gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zeigt.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder ähnlich wirkende Komponenten.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel 100. Die Turbinenschaufel 100 umfasst einen Schaufelfuß 4 und ein Schaufelblatt 1. Die Turbinenschaufel 100 kann beispielsweise in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine verwendet werden. Dazu kann der Schaufelfuß 4 Steckverbinder 5 aufweisen, mithilfe denen die Turbinenschaufel 100 am Rotor der Dampfturbine angebracht werden kann.
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Das Schaufelblatt 1 kann ein Schaufelmaterial 2 aufweisen, welches zum Beispiel gehärteten Stahl, Titan oder ein sonstiges korrosionsbeständiges Material aufweist. Es kann auch möglich sein, dass das Schaufelblatt 1 ein Kompositmaterial oder einen Verbundwerkstoff aufweist.
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Das Schaufelblatt 1 kann zumindest bereichsweise mit einer Schutzschicht beschichtet sein. Die Schutzschicht kann zur Verringerung der Auswirkungen von Tropfenerosion dienen. In 2 ist eine schematische Darstellung der Turbinenschaufel 100 in 1 in höherem Detail in Schnittansicht gezeigt. Dabei ist das Schaufelmaterial 2 mit einer Oberflächenbeschichtung 3 versehen. Die Oberflächenbeschichtung 3 kann beispielsweise eine Schichtdicke von etwa 10 nm bis einige Mikrometer, insbesondere 20 nm bis 80 nm, insbesondere 40 nm bis 60 nm, insbesondere etwa 50 nm aufweisen.
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Die Oberflächenbeschichtung 3 kann superhydrophil sein, das heißt, dass der Benetzungswinkel, den ein Flüssigkeitstropfen mit der Oberflächentangente der Oberflächenbeschichtung 3 ausbildet, sehr gering ist. Beispielhaft sind in 2 zwei Wassertropfen 6a und 6b gezeigt, welche auf der Oberflächenbeschichtung 3 aufliegen. Der Wassertropfen 6a stellt einen Wassertropfen dar, direkt nachdem er mit der Oberflächenbeschichtung 3 in Kontakt gekommen ist. Der Winkel 7a, den der Wassertropfen 6a mit der Oberflächentangente der Oberflächenbeschichtung 3 ausbildet, ist dabei sehr hoch, beispielsweise zwischen 75° und 105°.
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Mithilfe der Young'schen Gleichung lässt sich die Benetzungsspannung B der Oberflächenbeschichtung 3 über die Grenzflächenspannung g zwischen dem Wassertropfen 6a und Oberflächenbeschichtung 3 und den Kontaktwinkel w ausdrücken: B = g·cos(w)
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Das Vorzeichen der Benetzungsspannung B lässt dabei Rückschlüsse auf das Spreitungs- bzw. Benetzungsverhalten von Wassertropfen auf der Oberflächenbeschichtung 3 zu. Je größer die Benetzungsspannung B ist, desto geringer ist der Kontaktwinkel w und desto flacher verschmilzt der Wassertropfen mit der Oberflächenbeschichtung 3.
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Der Wassertropfen 6b steht dabei beispielhaft für einen Wassertropfen auf einer superhydrophilen Oberflächenbeschichtung 3, also einer Oberflächenbeschichtung 3, welche zur einer nahezu vollständigen Spreitung des Wassertropfens 6b auf der Oberfläche der Oberflächenbeschichtung 3 führt. Der Kontaktwinkel 7b für den Wassertropfen 6b ist dabei sehr gering und liegt vorzugsweise zwischen 0° und 5°.
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Bereits bei einer geringen Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Schaufelblatts 1 führt eine superhydrophile Oberflächenbeschichtung 3 zu einer Ausbildung eines dünnen Wasserfilms an der Oberfläche. Der Wasserfilm bleibt bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von über 20% auch bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten der Turbinenschaufel 100, beispielsweise bei hohen Drehzahlen, erhalten.
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Treffen nun Wassertropfen mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise etwa 500 m/s, auf die superhydrophile Oberflächenbeschichtung 3, wird die Aufprallenergie über den flüssigen Wasserfilm dissipiert. Dadurch wird das darunter liegende Schaufelblattmaterial 2 effektiv vor Tropfenschlagerosion geschützt.
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Die Dicke des Wasserfilms kann durch eine Erhöhung der Oberflächenrauigkeit der superhydrophilen Oberflächenbeschichtung 3 weiter verbessert werden. Dies kann beispielsweise durch eine selektive Oberflächenoxidation oder eine mechanische Aufrauung der Oberfläche erreicht werden.
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Die superhydrophile Oberflächenbeschichtung 3 kann beispielsweise Titandioxid umfassen. Vorteilhafterweise kann das Titandioxid in Anatas-Konfiguration vorliegen. Alternativ kann auch eine Rutil-Konfiguration für das Titandioxid geeignet sein. Die superhydrophile Oberflächenbeschichtung 3 kann beispielsweise auch Titannitrid umfassen. Es kann auch möglich sein, Nanopartikel aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Zirkonoxid oder Titanoxid in der Oberflächenbeschichtung 3 vorzusehen. Die Nanopartikel können dafür sorgen, dass beim Aufprall von Tropfen die Aufprallenergie von der Oberflächenbeschichtung 3 aufgenommen und über die Oberflächenbeschichtung 3 verteilt werden kann. Die Nanopartikel werden beim Aufschlag der Tropfen in Schwingungen versetzt, wodurch Aufschlagenergie in Schwingungs- und zuletzt Reibungsenergie umgesetzt wird.
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Bei der Verwendung Titannitrid werden etwa 1 bis 3 µm dicke Titannitridschichten erzeugt, beispielsweise durch Plasmanitrieren bei etwa 700°C. Die dadurch entstehende Oberflächenhärte ist größer als 1000 HV 0,5. Die Titannitridschicht bildet sich aus dem Grundwerkstoff und platzt deshalb nicht ab. Da nur das Randgefüge verändert wird, und keine Gefügeumwandlungen im Kernwerkstoff auftreten, ist das Nitrieren und Nitrocarburieren ein sehr verzugsarmes Wärmebehandlungsverfahren. Die Ausscheidung von Nitriden (Epsilon-Nitrid) in der inneren arteigenen Randschicht führt zu einer Steigerung der Festigkeit und zum Aufbau von Druckeigenspannungen.
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Durch Nachbehandlung kann eine Titanoxidschicht erzeugt werden. Eine Titanoxidschicht kann das Korrosionsverhalten und das Einlaufverhalten weiter verbessern. Titannitrid-Oberflächen können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden, beispielsweise über einen Pulsplasmanitrierprozess bei etwa 500 bis 700°C mit einer Dauer von etwa 12 Stunden unter einem definierte Stickstoffpotential, oder über Nitrocarburieren, das heißt, ein thermochemisches Verfahren zum Anreichern der Randschicht eines Werkstücks oder Bauteils mit Stickstoff und Kohlenstoff bei einer Temperatur von etwa 550 bis 580°C mit einer Dauer zwischen etwa 1 und 10 Stunden.
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Besonders vorteilhaft kann eine leicht aufgerauhte Titanoberfläche mit Ra < 1 µm sein, die anschließend nitridiert wird. In diesem Fall wird ähnlich wie bei Titandioxidoberflächen eine totale Benetzung mit einer harten Oberflächenschicht aus Titannitrid erhalten. Ähnliche starke Benetzungen von Wassertropfen werden auch mit Titanoxinitridschichten erhalten.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 10 zum Herstellen einer Turbinenschaufel, insbesondere der Turbinenschaufel 100 in 1 und 2. Das Verfahren 10 umfasst als ersten Schritt 11 das Fertigen eines Schaufelblatts einer Turbinenschaufel aus gehärtetem Stahl oder Titan. In einem zweiten Schritt 12 erfolgt ein Aufbringen einer superhydrophilen Oberflächenbeschichtung auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Schaufelblatts. Vorteilhafterweise kann in einem dritten Schritt 13 ein Erhöhen der Oberflächenrauigkeit der superhydrophilen Oberflächenbeschichtung erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008061573 A1 [0006]
