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Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie einen Erosionsschutz für eine Laufschaufel einer Dampfturbine nach Anspruch 5 oder 6.
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Laufschaufeln von Niederdruckstufen von Dampfturbinen weisen sehr große Durchmesser und damit sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten auf, so dass Tropfen, die auf eine laufende Laufschaufel auftreffen, starke Tropfenschlagerosionen an der Laufschaufeloberfläche bewirken. Insbesondere bei Kondensationsturbinen, bei welchen der Dampf, das heißt das Betriebsmedium der Dampfturbine, bis zum Sattdampfzustand oder sogar bis in den Nassdampfbereich hinein entspannt werden, tritt teilweise starke Kondensation auf. Das Kondensat setzt sich dabei als Flüssigkeitsfilm auf den Leitschaufeln der Dampfturbine ab. Der Flüssigkeitsfilm wird nachfolgend von der Dampfströmung zur Leitschaufelhinterkante bewegt und löst sich dort in Form von Tropfen ab. Die Wassertropfen die einen mittleren Tropfendurchmesser von rund 100μm aufweisen, können aufgrund ihrer großen Dichte nicht vom Dampfstrom auf die Dampfgeschwindigkeit beschleunigt werden und schlagen deshalb mit Geschwindigkeiten von rund 500 m/s auf die Laufschaufelkante auf. Hierdurch verursachen sie starke Tropfenschlagerosion, welche in kurzer Zeit zur vollständigen Zerstörung der Laufschaufelkanten führt.
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Um die Tropfenschlagerosion zu reduzieren, ist es bekannt den vorderen Bereich der Laufschaufel zu härten. Die gehärtete Oberfläche kann jedoch auch keinen dauerhaften Schutz gegen Tropfenschlagerosion gewährleisten.
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Die
WO1998/014692A1 offenbart eine Leitschaufel mit einem Hohlraum, welchem über eine Fluidleitung Heißdampf zuführbar ist. Der Heißdampf sorgt für eine Erwärmung der Leitschaufel und bewirkt so, dass das Kondensat verdampfen kann und so eine Kondensattröpfchenbildung an der Abströmkante der Leitschaufel vermieden oder zumindest deutlich vermindert werden kann. Hohlleitschaufeln sind jedoch aufwendig in der Fertigung und teuer.
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Die
DE19546008A1 offenbart eine Laufschaufel, welche im Bereich seiner Vorderkante und seiner Rückseite eine gegenüber der übrigen Oberfläche erhöhte Oberflächenrauigkeit aufweist. Durch die erhöhte Oberflächenrauigkeit bildet sich in diesem Bereich ein Wasserfilm aus, der eine dämpfende Wirkung auf die, auf die Oberfläche auftreffenden Wassertröpfchen hat. Beim Auftreffen der Tröpfchen auf den Flüssigkeitsfilm werden jedoch wiederum Flüssigkeitströpfchen aus dem Flüssigkeitsfilm herausgerissen, so dass nur ein eingeschränkter Erosionsschutz gewährleitet ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Laufschaufel für eine Dampfturbine bereitzustellen, welche einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Erosionsschutz aufweist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen solchen Erosionsschutz bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Laufschaufel durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Erosionsschutzes durch die Merkmale der Patentansprüche 5 und 6 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Laufschaufel für eine Dampfturbine, welche zumindest bereichsweise einen Erosionsschutz zum Schutz gegen Tropfenschlagerosion aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Erosionsschutz eine strukturierte Oberfläche aufweist, wobei die einzelnen Strukturelemente der strukturierten Oberfläche, so zueinander beabstandet angeordnet sind, dass Tropfen mit einem mittleren zu erwartenden Tropfendurchmesser TDM, auf zumindest zwei benachbarte Strukturelemente auftreffen. Beim Auftreffen des Wassertropfens auf die Kanten der strukturierten Oberfläche wird der Wassertropfen zerteilt und dadurch der Impulseintrag durch den Tropfen auf die Oberfläche deutlich reduziert. Bei einem Tropfen mit einem Tropfendurchmesser von 100μm würden beispielsweise weniger als 30% der ursprünglichen Aufprallenergie auf der Oberfläche ankommen. Die Erosionsbeständigkeit der Laufschaufel nimmt entsprechend der geringeren kinetischen Energie der kleineren Wassertropfen und des damit geringeren Impulses deutlich zu. Mit Werkstoffen, wie Stahl oder Titan, können dadurch erosionsstabile und wartungsfreie Laufschaufeln für Dampfturbinen aufgebaut werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die strukturierte Oberfläche des Erosionsschutzes ein Aspektverhältnis A > 10 aufweist und die Tiefe der Struktur T > 1mm ist. Das Aspektverhältnis ist dabei das Verhältnis aus der Tiefe (Höhe) einer Struktur zu ihrer kleinsten lateralen Ausdehnung. Bei einem Aspektverhältnis A > 10 und einer Tiefe der Struktur von T > 1mm ist sichergestellt, dass Tropfen mit einem Tropfendurchmesser von 100μm in jedem Fall auf mindestens zwei Kanten zweier benachbarter Strukturelemente auftreffen und dabei zerteilt werden, so dass der Impulseintrag in die Oberfläche der Laufschaufeln deutlich reduziert wird. Die Tiefe der Struktur von T > 1mm ist dabei ausreichend, so dass der Tropfen vor dem Zerteilen nicht auf den Grund der Struktur auftreffen kann und dort für eine Zerstörung der Oberfläche sorgen kann.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Aspektverhältnis A vorzugsweise > 20mm ist. Durch das größere Aspektverhältnis A kann der Tropfen auf mehr als zwei Kanten der Strukturelemente auftreffen und so in kleinere Teile aufgespalten werden, wodurch der Impulseintrag des auftreffenden Tropfens weiter verringert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die strukturierte Oberfläche eine regelmäßige Struktur, insbesondere eine Mosaik- oder Linien-Struktur, aufweist. Die regelmäßige Struktur lässt sich technisch einfach aufbauen und gewährleistet dass die gesamte strukturierte Oberfläche so ausgebildet ist, dass sämtliche auf den Erosionsschutz auftreffende Tropfen zerteilt werden. Die Linien- oder Mosaik-Strukturen können beispielsweise mittels additiver Fertigungsverfahren, wie dem Selekting Lasersintern, kostengünstig hergestellt und auch auf bestehende Oberflächen aufgebracht werden. Eine Nachrüstung eines Erosionsschutzes an den Kanten von Niederdruckdampfturbinen-Laufschaufeln ist daher einfach möglich und würde auf einfache Weise die Lebensdauer der Laufschaufel und die Wartungsintervalle verlängern.
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Der erfindungsgemäße Erosionsschutz, zeichnet sich dadurch aus, dass der Erosionsschutz integraler Bestandteil der Laufschaufeln ist. Dies hat den Vorteil, dass der Erosionsschutz fest und unverlierbar mit der Laufschaufel verbunden ist und sich nicht im Betrieb lösen kann was zu Schäden an der Dampfturbine führen kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Erosionsschutz als separates Erosionsschutzbauteil ausgebildet ist, welches mit der laufschaufel verbindbar ist. Die Ausbildung des Erosionsschutzes als separates Erosionsschutzbauteil hat den Vorteil, dass bei einer Abnutzung des Erosionsschutzes dieses separat erneuert werden kann und nicht die gesamte Laufschaufel ausgetauscht werden muss. Hierdurch wird eine kostengünstigere Wartung ermöglicht.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Erosionsschutz eine Hartstoffbeschichtung aufweist. Hierdurch wird der Materialabtrag der Oberfläche noch einmal deutlich reduziert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Oberfläche des Erosionsschutzes hydrophob ausgebildet ist. Die hydrophobe Ausbildung bewirkt, dass sich in der strukturierten Oberfläche kein Wasser sammeln kann, wodurch der Effekt der strukturierten Oberfläche, nämlich das Zerteilen von auftreffenden Flüssigkeitstropfen auf die Kanten der Strukturelemente, vermindert wird.
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Insgesamt lässt sich somit feststellen, dass durch die erfindungsgemäße Laufschaufel und den erfindungsgemäßen Erosionsschutz, die Tropfenschlagerosion auf der Oberfläche der Laufschaufel deutlich verringern lässt. Hierdurch werden die Lebensdauer der Laufschaufel und das Wartungsintervall erheblich verlängert. Das Ausbilden eines Erosionsschutzes mit strukturierter Oberfläche lässt sich auch nachträglich an bestehenden Laufschaufeln von Dampfturbinen anbringen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:
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1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Laufschaufel;
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2 eine Detailansicht einer strukturierten Oberfläche einer erfindungsgemäßen Laufschaufel;
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3 eine Detailansicht einer anderen strukturierten Oberfläche einer erfindungsgemäße Laufschaufel;
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4 eine Detailansicht einer weiteren Ausgestaltung einer strukturierten Oberfläche einer erfindungsgemäße Laufschaufel nach 1 und
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5 eine zweite Ansicht einer strukturierten Oberfläche nach 4.
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Die Zeichnungen zeigen jeweils stark vereinfachte und zum Teil schematische Darstellungen der Erfindung. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Laufschaufel 1 für eine Dampfturbine, welche an der Vorderkante des Schaufelprofils einen Erosionsschutz 2 zum Schutz gegen Tropfenschlagerosion aufweist. Der Erosionsschutz 2 weist eine strukturierte Oberfläche 3 auf. Die strukturierte Oberfläche 3 setzt sich aus einzelnen Strukturelementen 4 zusammen, wobei die einzelnen Strukturelemente 4 der strukturierten Oberfläche 3 so zueinander beabstandet angeordnet sind, dass Tropfen mit einem mittleren zu erwartenden Durchmesser TDM auf zumindest zwei benachbarte Strukturelemente 4 auftreffen. Beim Auftreffen des Flüssigkeitstropfens auf die benachbarten Strukturelemente 4 wird der Tropfen in mehrere kleinere Tropfen aufgesprengt. Aufgrund der geringeren Masse der kleineren Flüssigkeitstropfen nimmt die kinetische Energie des Tropfens ab und der Impuls welcher der Tropfen auf die Oberfläche der Laufschaufel ausübt, wird deutlich verringert. Je nach Ausbildung der strukturierten Oberfläche kann die ursprüngliche Aufprallenergie auf die Oberfläche um mehr als 2/3 reduziert werden. Bei Einsatz von Werkstoffen wie Stahl oder Titan können Erosionsstabile und wartungsfreie Laufschaufeln von Dampfturbinen hergestellt werden. Die strukturierte Oberfläche 3 des Erosionsschutzes 2 zeigt vorzugsweise eine regelmäßige Struktur, insbesondere eine Mosaik- oder Linienstruktur auf. Regelmäßige Strukturen können technisch leichter realisiert werden. Grundsätzlich sind aber auch unregelmäßige Strukturen bei der strukturierten Oberfläche 3 möglich. Die Linien- oder Mosaikstrukturen können dabei beispielsweise mittels additiver Fertigungsverfahren wie den selektiven Lasersintern, kostengünstig auch auf bestehende Oberflächen aufgebracht werden. Hierdurch ist auch ein Nachrüsten von bereits im Betrieb befindlichen Laufschaufeln 1 möglich. Durch das nachträgliche Anbringen eines Erosionsschutzes 2 auf die Laufschaufel 1, kann die Lebensdauer der Laufschaufel und das Wartungsintervall auch bei bestehenden Laufschaufeln deutlich erhöht werden. Eine weitere Erhöhung der Lebensdauer der Laufschaufeln kann durch das Aufbringen einer Hartstoffbeschichtung insbesondere im Bereich der strukturierten Oberfläche erzielt werden.
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2 zeigt eine Detailansicht der strukturierten Oberfläche 3 aus 1. Die strukturierte Oberfläche 3 besteht aus einer Vielzahl einzelner Strukturelementen 4, die regelmäßig zueinander beabstandet sind. Die Strukturelemente 4 bestehen dabei aus einzelnen Quaderelementen. Die einzelnen Strukturelemente 4 sind so zueinander beabstandet angeordnet, dass die zu erwartenden mittleren Tropfendurchmesser TDM, immer auf zumindest zwei benachbarte Strukturelemente 4 auftreffen. Gleichzeitig muss die Tiefe/Höhe der Strukturelemente 4 so gewählt werden, dass eine hinreichende Tiefe/Höhe bezogen auf den mittleren Tropfendurchmesser TDM vorhanden ist. Das Verhältnis aus der Tiefe/Höhe einer Struktur zu ihrer kleinsten lateralen Ausdehnung wird auch als Aspektverhältnis bezeichnet. Die strukturierte Oberfläche 3 sollte ein Aspektverhältnis A > 10 aufweisen und vorzugweise eine Tiefe T > 1mm besitzen. Hierdurch ist gewährleistet, dass bei den zu erwartenden mittleren Tropfendurchmessern von 100μm, der Tropfen jeweils auf mindestens zwei Strukturelemente auftrifft und an den Strukturelementen in mehreren kleinen Tropfen aufgesprengt wird. Die Tiefe von T > 1mm bewirkt dabei dass der große Tropfen nicht bereits vor dem eigentlichen Zersprengen in kleine Tropfen auf den Grund der strukturierten Oberfläche 3 auftritt. Bei einem Aspektverhältnis von A > 10 und einer Tiefe der Struktur T > 1mm kann die Aufprallenergie bei einem mittleren Tropfendurchmesser von 100μm um mehr als 2/3 reduziert werden. Hierdurch wird eine erosionsstabile und im Wesentlichen wartungsfreie Laufschaufel ermöglicht. Vorzugsweise ist das Aspektverhältnis A > 20. Durch das größere Aspektverhältnis A trifft der Flüssigkeitstropfen auf mehr als zwei Strukturelemente und wird somit zu mehreren noch kleineren Tropfen aufgesprengt, wodurch die Aufprallenergie weiter reduziert wird. Die strukturierte Oberfläche bzw. der Erosionsschutz 2 sind vorzugsweise hydrophob ausgebildet. Durch die hydrophobe Ausbildung der Oberfläche kann sich kein Wasser in die strukturierte Oberfläche festsetzen und so einen Flüssigkeitsfilm bilden, welcher die Funktion der strukturierten Oberfläche 3, nämlich das Aufsprengen des auftreffenden Flüssigkeitstropfens, reduziert.
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Die in 2 dargestellte strukturierte Oberfläche 3 ist nur ein Ausführungsbeispiel für eine mögliche Strukturierung der Oberfläche. Die strukturierte Oberfläche sollte, wegen der einfacheren Fertigung, vorzugsweise eine regelmäßige Struktur, insbesondere eine Mosaik- oder Linienstruktur aufweisen.
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3 zeigt beispielsweise eine alternative Mosaikstruktur, wobei die strukturierte Oberfläche 3 einzelne Strukturelemente 4 aufweist, die als Kreiszylinder ausgebildet sind.
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4 weist eine Linienstruktur mit einem V-förmigen Profil auf. Eine detailliertere Ansicht dieses V-Profils ist in 5 dargestellt. Bei der Linienstruktur ergibt sich das Aspektverhältnis A dabei aus der Tiefe T des V-Profils sowie dem Abstand der Spitzen der jeweiligen V-Profile (siehe 5).
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Der Vorteil einer regelmäßigen Struktur der strukturierten Oberfläche 3 besteht vor allem in der einfacheren Fertigung der Struktur. Die Linien- oder Mosaikstrukturen können auf einfache Weise mittels additiver Fertigungsverfahren beispielsweise dem selektivem Lasersintern, kostengünstig hergestellt und auch auf bestehende Oberflächen aufgebracht werden. Hierdurch ist auch eine Nachrüstung von Laufschaufeln mit einem Erosionsschutz möglich. Durch das Nachrüsten der Laufschaufeln wird die Lebensdauer deutlich erhöht und die Wartungsintervalle verlängert. Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch Laufschaufeln mit einem Erosionsschutz mit unregelmäßigen Strukturen der strukturierten Oberfläche umfasst. Wichtig ist einzig und allein, dass die strukturierte Oberfläche dazu geeignet ist, die auf die strukturierte Oberfläche auftreffenden Tropfen in kleinere Tropfen zu zersprengen, um so die Aufprallenergie auf die Oberfläche der Laufschaufel zu verringern und damit die Erosionsbelastung für die Laufschaufel zu verringern.
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Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass durch die erfindungsgemäße Laufschaufel 1 mit einem Erosionsschutz 2, welcher durch eine strukturierte Oberfläche 3 ausgebildet wird, eine erosionsstabile und wartungsfreie Laufschaufel 1 aufgebaut werden kann. Durch additive Fertigungsverfahren ist auch eine Nachrüstung einer Laufschaufel mit einer strukturieren Oberfläche als Erosionsschutz möglich. Die Erosionsbeständigkeit der strukturierten Fläche kann durch eine Hartstoffbeschichtung und eine hydrophobe Oberfläche weiter erhöht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 1998/014692 A1 [0004]
- DE 19546008 A1 [0005]
