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Die Erfindung betrifft allgemein Lauf- und/oder Leitschaufeln für eine Beschaufelung, also die Schaufeln eines Verdichters oder einer Turbine. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lauf- oder Leitschaufel.
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Im Allgemeinen sind die Leitschaufeln fest im Gehäuse des Verdichters oder der Turbine eingebaut und leiten das Arbeitsmittel im optimalen Winkel auf die Laufschaufeln, die sich auf drehbaren Wellen befinden. Über die Laufschaufeln findet die Kopplung der mechanisch nutzbaren Leistung zwischen Maschine und Fluid statt.
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Laufschaufeln von Turbinen, insbesondere von Gas- und Dampfturbinen arbeiten in einer Umgebung, wo sie hohen zentrifugalen Belastungen und Schwingungsspannungen ausgesetzt sind. Schwingungsspannungen nehmen zu, wenn die Laufschaufel-Eigenfrequenzen mit Betriebsdrehzahl- oder anderen vorübergehenden Frequenzen, wie beispielsweise der stromaufwärts liegenden Laufschaufel- oder Leitschaufelanzahl oder mit anderen größeren umdrehungsabhängigen Merkmalen in Resonanz kommen.
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Durch die Vorgaben aus dem Betrieb von Kraftwerken während der Energiewende werden die Turbinen häufig an- und abgeschaltet. Bei jedem An- und Abschaltvorgang werden Eigenfrequenzen durchfahren und es kann zu diesen Resonanzen kommen.
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Das Design von Turbinenschaufeln für Kompressoren, Gasturbinen und/oder Dampfturbinen ist vom metallischen Werkstoffeinsatz und deren Materialeigenschaften bestimmt. Das Schaufeldesign wird dabei beispielsweise durch die Dichte des Metalls derart beeinflusst, dass auch teiloptimierte Schaufelformen realisiert werden.
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Beispielsweise wird die Schaufelgröße durch die hohe Dichte von Eisen- oder Nickelbasiswerkstoffen (Dichte von Eisen = 7.9 g/cm3, Dichte Nickel 8.9 g/cm3) limitiert, die Schaufelherstellungskosten von Titanschaufeln (Dichte Titan = 4,51 g/cm3) sind unwirtschaftlich hoch.
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Deshalb wird in der
DE 10 2007 027 367 A1 beispielsweise vorgeschlagen, dass einzelne Taschen oder Aussparungen von metallischen Laufschaufeln durch Verbundfüllstoff ersetzt werden.
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Aus der
DE 10 2009 039 999 A1 ist eine Turbinenschaufel bekannt, die zumindest bereichsweise aus Faserverbundwerkstoff besteht und wobei der Faserverbundwerkstoff ein Mehrschichtverbundwerkstoff mit übereinanderliegenden Faserlagen ist, die zumindest lokal miteinander verfilzt sind.
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Nachteilig an den bekannten Leit- und/oder Laufschaufeln mit Faserverstärktem, beispielsweise Polymer-organischen Anteil ist bislang, dass an den Grenzflächen zwischen den metallischen und den Faserverstärkten Kunststoffteilen der Schaufel kein ausreichend stabiler Verbund bekannt ist und zusätzlich, dass die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der an den Grenzflächen aufeinandertreffenden Materialien die Stabilität der Schaufel, zusätzlich zur Anforderung während des Turbinen- und/oder Kompressor-Betriebs, noch weiter belasten.
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Aufgabe der Erfindung ist es entsprechend, ein neuartiges Schaufeldesign für eine Leit- oder Laufschaufel zur Verfügung zu stellen, wobei die Abhängigkeit des Schaufeldesigns vom metallischen Material, insbesondere vom Gewicht und/oder vom Preis des eingesetzten metallischen Werkstoffs möglichst gering ist.
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Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Leit- und/oder Laufschaufel für eine Turbine oder einen Kompressor, einen Schaufelfuß und ein Schaufelblatt umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel ein Hybrid bildet, das metallische und faserverstärkte Kunststoffteile umfasst, wobei an zumindest einer Stelle der Leit- und/oder Laufschaufel ein metallisches Teilstück an ein Teilstück aus einem faserverstärktem Kunststoff angrenzt und mit diesem an zumindest einer Grenzfläche einen Verbund bildet, der sich dadurch auszeichnet, dass entweder ein Ineinandergreifen von Verstärkungsfasern aus dem faserverstärkten Kunststoff in das metallische Teilstück und/oder von feinen metallischen Lagen, Drähten und/oder Gittern in das Teilstück aus faserverstärktem Kunststoff und/oder durch einen fließenden Übergang des Materials, in dem die metallische Phase des Materials in die faserverstärkte Kunststoff-Phase und umgekehrt sukzessive übergeht, gebildet ist. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Leit- oder Laufschaufel, dadurch gekennzeichnet, dass ein generatives Fertigungsverfahren mit der Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffes kombiniert eingesetzt wird.
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Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass durch generative, insbesondere durch additive Fertigungsverfahren die Möglichkeit besteht, metallische Teile und Faserverstärkte Kunststoffteile einer Leit- oder Laufschaufel so miteinander zu verbinden, dass ein stabiler, für den Einsatz als Leit- oder Laufschaufel geeigneter, Verbund herstellbar ist. Insbesondere vorteilhaft ist dabei, dass durch ein Ineinanderverweben der metallischen Teile und der faserverstärkten Kunststoffteile, gegebenenfalls durch Übergänge auch in den eingesetzten Materialien, Probleme durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, behebbar sind.
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Eine dauerbeständige Verbindungstechnologie zwischen Metallkanten und der Faserverbundblattfläche wird durch die jeweils passende Kombination von additiven Fertigungsverfahren mit Faserverbundtechnologien erreicht.
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Beispielsweise wird im Selective Laser Melting(SLM)-Verfahren als Druckplatte ein Bauteil aus Faserverstärktem Kunststoff eingesetzt wird, so dass die metallische Phase, die durch additiven Fertigungsverfahren herstellbar ist, direkt auf dem faserverstärktem Bauteil aufgebaut wird. Andererseits kann auch eine Kombination eines SLM Verfahrens mit Glas- und/oder Carbonfasern vorliegen, wobei die Glas- und/oder Carbonfasern zunächst mit dem Metall während des Aufbaus verwoben werden und das Bauteil dann in eine Kunststoffmatrix eingebettet wird.
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Grundsätzlich ist ein hoher Anteil an Faserverbundwerkstoff in der Leit- oder Laufschaufel erstrebenswert, da beim Einsatz von Faserverbundwerkstoffen die hohe spezifische Steifigkeit und/oder Festigkeit und Reißdehnung der Carbonfasern genutzt werden kann und gleichzeitig das Gewicht der Schaufel gegenüber den metallischen Schaufeln erheblich reduziert ist. Die Schaufeln laufen deshalb nicht mehr zwangsläufig trapezartig nach oben zu, sondern können gerade oder sogar in radialer Richtung verbreitert, nach Vorgabe der optimalen Strömungswerte, gestaltet werden.
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Zudem verfügen die Faserverbunde über ein vorteilhaft hohes Dämpfungsvermögen, so dass die Amplitude der Eigenfrequenzen um einen erheblichen Faktor, beispielsweise um den Faktor 10 und sogar darüber, reduziert werden kann. Mit der höheren Dämpfung werden die Amplituden der Eigenfrequenzen deutlich kleiner, so dass die Lebenszeit von Turbinen, die häufig einen An- und Abschaltvorgang durchlaufen, durch den Einsatz eines möglichst hohen Anteils an Faserverbundkunststoffen anstelle des momentan dominierenden Metalls deutlich verlängert wird.
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Als faserverstärkte Kunststoffe werden beispielsweise folgende Werkstoffe eingesetzt: Composite, ein Matrixmaterial umfassend in dem Verstärkungsfasern wie Kohlefasern, Aramidfasern, Glasfasern, die ihrerseits als Fasern, Endlosfasern, die in Form von Gewebe oder als Gelege vorliegen können, verteilt vorliegen.
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Die Matrixmaterialien sind dementsprechend „faserverstärkt“. Diese, auch Faserverbundkunststoffe (FVK) genannten Materialien zeichnen sich allgemein durch anisotropes Verhalten aus, weil in Richtung der Faserverstärkung die Eigenschaften deutlich verschieden sind von den Eigenschaften quer zur Faserverstärkung.
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Bei dem Matrixmaterial der Faserverstärkten Kunststoffe, also dem Material in das die Faserverstärkung eingebettet ist, handelt es sich vornehmlich um polymere Materialien, beispielsweise um organische polymere Materialien oder um metallorganische polymere Materialien. Insbesondere Duromere und/oder Thermoplasten mit relativ hohen Glasübergangstemperaturen sind als Matrixmaterial geeignet.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zur Erhöhung der Erosionsbeständigkeit gegen Wassertropfen, Partikel etc. an den Vorderkanten der Schaufeln und/oder an den Hinterkanten nahe dem Fußbereich der Schaufel metallische Verstärkungskanten vorgesehen, da bei Aufprallgeschwindigkeiten, wie sie in Dampf- und/oder Gasturbinen herrschen, die Gefahr besteht, dass die Faserverstärkten Kunststoffteile der Schaufel abgetragen werden. Metall wird unter den Umständen nicht oder nicht so schnell abgetragen, weshalb hier eine zumindest teilweise Kantenverstärkung der Lauf- und/oder Leitschaufel durch Metallteile vorteilhaft ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind an den komplexeren Formen zur Halterung der Schaufel, beispielsweise bei der Schwalbenschwanzanordnung, und/oder beim Übergang des relativ dickwandigen Fußbereichs in den dünnwandigen Schaufelbereich metallische Teile vorgesehen. Dies insbesondere deshalb, weil dies mit dem 2-dimensionalen Aufbau eines polymeren organischen Faserverstärkten Kunstwerkstoffes, der in der Regel anisotrope Eigenschaften hat, nur schwer ohne Schädigung/Defekte und/oder offen verlaufenden Abfräsungen der Faserverstärkten Kunststoffteile herstellbar ist.
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Der Aufbau eines metallischen Teilstücks der Schaufel direkt auf dem Faserverstärkten Kunststoffteil ist insbesondere durch den Einsatz generativer, insbesondere additiver Fertigungsverfahren möglich und bildet stabile Verbunde aus.
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Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einiger Ausführungsformen näher erläutert:
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaufel, Faserverstärkten Kunststoff 1, der mittig zu sehen ist, umfassend. Der Großteil der Schaufelfläche insbesondere des Schaufelblatts, also beispielsweise mehr als 50%, ist aus faserverstärktem Kunststoff, dessen Kanten zur Vermeidung von Beschädigung im Betrieb an drei Seiten von einem Metall und/oder einem Metallgitter 2, rot eingezeichnet, umgeben ist. Dieses metallische Teil 2, das an das Teil aus Faserverstärktem Kunststoff 1 angrenzt, ist wiederum mit dem metallischen Schaufelfuß 3 unten blau gezeichnet, verbunden. Beispielsweise ziehen sich Verstärkungsfasern vom Kantenbereich 2 in den Teil aus faserverstärktem Kunststoff 1.
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Die hier scharf gezeichneten Grenzflächen zwischen Faserverbundkunststoff und Metall sind schematische Darstellungen, mit denen lediglich die Anordnung der verschiedenen Teile eines hybriden Schaufeldesigns in der Lage zueinander gezeigt wird. Die Grenzflächen sind hier Grenzbereiche, in denen die beiden zu verbindenden Materialien sukzessive ineinander übergehen.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist entsprechend die Erosionskante und/oder die Spitze der Schaufel zumindest teilweise metallisch ausgebildet, wobei auch metallische Nieten, angrenzend an faserverstärkte Kunststoffteile und aufgebaut mittels additiver Fertigungsverfahren, vorgesehen sind.
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In den 2 und 3 sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen der Schaufelfuß 3 wieder mit isotropen Materialeigenschaften, also metallisch, ausgeführt ist und das Schaufelblatt aus faserverstärktem Kunststoff. Der Schaufelfuß ist beispielsweise zumindest zu 70%, insbesondere größer 80% und besonders bevorzugt zumindest mit einem Anteil größer 90% aus Metall. Die Teile des Faserverstärkten Kunststoffes sind dabei in einem Metallgitter oder in Bereichen des Metallteils, in denen Ösen und oder Löcher vorliegen, verankert, so dass ein Grenzbereich 4 des Schaufelblattes 5 (in der Figur nicht zu sehen) vorgesehen ist, in dem Metallgitter und Faserverstärkung vorliegt. Das Schaufelblatt 5 ist aus faserverstärktem Kunststoff, so dass eine hohe Designfreiheit und eine freie Gestaltbarkeit der Schaufelblattgröße gegeben sind. Die hier gezeigten Metallgitter dienen beispielsweise der strukturellen Anbindung einer Turbinenschaufelfläche aus Faserverstärktem Kunststoff. Hier ist das Fasermaterial in das Metall „gefädelt“.
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3 zeigt nochmal im Detail, wie der Grenzbereich 4 zwischen metallischem Teilstück, beispielsweise einem Metallgitter oder Ösen oder Löcher und dem Teil aus faserverstärktem Kunststoff ineinandergreifen, wobei ein metallisches Gitter, metallische Fäden etc. sich beispielsweise auch im Faserverstärkten Kunststoff fortsetzen. Die Schaufelstabilität wird dabei durch direkte Verankerung der Verstärkungsfasern an den Metallgitter-Kanten des Schaufelblatts und/oder durch die ins Schaufelblatt laufenden strukturierten metallischen Stützen und/oder Streben erhöht.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der dauerbeständigen Verbindungstechnologie zwischen Metallteilen und Faserverstärkten Kunststoffteilen. Zu erkennen sind metallische Teile 6, die zumindest zum Teil in Gitterform vorliegen, wobei die Fasern 7 des Faserverstärkten Teils 1 mit dem metallischen Gitter verbunden, beispielsweise in das metallische Gitter eingenäht werden, so dass zunächst, ohne einbettende Matrix, eine Verstärkungsstruktur aufgebaut wird, in die dann der Kunststoff, beispielsweise ein Duromer, eingebracht, beispielsweise injiziert wird. Die bettende Matrix kann auch nach einem beliebigen anderen Verfahren auf die Verstärkungsstruktur aufgebracht werden, beispielsweise durch Eintauchen, Besprühen, Imprägnieren, Druckbeaufschlagung und/oder Sonstiges.
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Die in 4 gezeigte Ausführung ist insbesondere für die Herstellung der Grenzbereiche wie beispielsweise Vorder- und/oder Hinterkante etc. einsetzbar.
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Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass in den Teilen aus faserverstärktem Kunststoff metallische Stützstrukturen vorgesehen sind, die nicht zwangsläufig mit den metallischen Teilen zusammenhängen, beispielsweise können die Verstärkungsfasern mit Metallfäden oder Metallstützen und/oder mit Metallnetzen vernäht werden, bevor die Einbettung in die Matrix erfolgt. Die Einbettung der mit Metallstützstrukturen verbundenen Verstärkungsfasern in die Matrix kann mit verschiedenen bereits bekannten Techniken, wie oben beschrieben erfolgen.
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Die metallischen Stützstrukturen können beliebig gestaltet sein, beispielsweise netzförmig, radial sowie mit verschiedener Maschengröße innerhalb eines Netzes.
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Die metallischen Stützstrukturen im faserverstärkten Kunststoff sind nach einer weiteren Ausführungsform mit den metallischen Teilen der Schaufel, wie beispielsweise dem Schaufelfuß oder einer metallischen Verstärkung an der Erosionskante, verbunden und ragen aus diesen heraus.
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Metallische Stützstrukturen in den Teilen aus faserverstärktem Kunststoff sind insbesondere zur Unterdrückung von Vibrationen vorteilhaft.
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Umgekehrt ist nach einer weiteren Ausführungsform oder ergänzend vorgesehen, dass die Verstärkungsfasern im metallischen Teil der Schaufel verankert sind, beispielsweise durch Halterung der umgelegten Fasern durch Einlassen von Streben in den Schaufelfuß.
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In 5 ist gezeigt, wie beispielsweise durch Aussparung eines Raums 9 unterhalb der Streben im metallischen Teil eine Möglichkeit geschaffen wird, die Verstärkungsfasern einfach in Ösen und/oder Löcher 8 einzufädeln. Nach Einfädelung der Verstärkungsfasern wird dann der faserverstärkte Kunststoff durch Einbettung in eine Matrix hergestellt.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung umfassen beispielsweise eine Verbindung der Metallkante mit den faserverstärkten Kunststoffteilen durch Vernieten. Insbesondere vorteilhaft ist dabei ein Vernieten im dünnen „Flügel“-Bereich der Kanten. Dabei kann vorgesehen sein, dass der faserverstärkte Kunststoff mit den Metallkanten oder Metallgittern durch Ultraschallschweißen verbunden ist.
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Der Verbund aus einem metallischen Teil der Leit- oder Laufschaufel und einem faserverstärktem Kunststoffteil kann alternativ oder ergänzend zu den oben genannten Verbindungstechniken noch über thermisches Direktfügen, über Erwärmung von Prepregs und/oder Tapes erfolgen. Ebenso können die beiden Teile zusätzlich über Aufrauung der Metallflächen, Primern mit Haftvermittlern, Infiltrieren des faserverstärkten Kunststoffes und Verpressen oberhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials verbunden werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können im Grenzbereich zwischen einem metallischen Teil und einem Teil aus Faserverstärktem Kunststoff der Schaufel Metallpins vorgesehen sein, die von dem metallischen Teil aus in das Faserverstärkte Kunststoffteil hineinragen. Als Metallpin werden Metallteilchen bezeichnet, die beispielsweise spitz, zylindrisch oder auch ellipsoid oder kugelförmig auf den Verbindungsflächen des Metallteils vorgesehen sind und durch Vernähen und/oder Aufwachsen des Faserverstärkten Kunststoffteils zur Verbindung oder eine zusätzliche Verbindung des Metallteils mit dem Faserverstärkten Teil beitragen.
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Bei dieser Ausführungsform kann auch wieder zunächst der Verbund aus dem Metallteil und den Verstärkungsfasern gebildet werden, bevor die Einbettung in die Matrix erfolgt.
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Eine Steigerung der Effizienz und der Leistung der Gasturbine ist insbesondere mit größeren Frontschaufeln oder in der Dampfturbine mit großen ND-Schaufeln möglich. Wegen der hohen Fliehkräfte kann eine Vergrößerung der Schaufel nur mit Leichtmetall- oder Faserverbundmaterialien erreicht werden. Der Vorteil der Faserverbundmaterialien liegt in der hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit sowie geringen Dichte. Im Gegensatz zu reinen metallischen Schaufeln kann das Design mit Faserverbunden freier angepasst werden und Verluste verringert werden. Außerdem können mit additiven Fertigungsverfahren geeignete und stabile Strukturen zur Gewichtsreduzierung und Anbindung bzw. Stabilisierung und Schutz der Faserverbundturbinenflächen aufgebaut werden.
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Die Erfindung offenbart erstmals eine Leit- oder Laufschaufel und ein Herstellungsverfahren dazu, bei dem Metallteile und Faserverstärkte Kunststoffteile zusammen die Hybrid-Schaufel bilden, wobei die hybriden Teile so verbunden sind, dass Verstärkungsfasern mit dem Metallteil verbunden sind und/oder Metallgitter und/oder Metallpins in das Faserverstärkte Kunststoffteil hineinragen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass, beispielsweise mittels generativer Fertigungsmethoden, insbesondere durch additive Fertigung, ein metallisches Gitter in das faserverstärkten Kunststoffteil eingearbeitet ist.
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Gemäß der Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, bei der Herstellung einer Leit- oder Laufschaufel die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften von Faserverbundkunststoffen mit den massiven metallischen isotropen Eigenschaften von Metallteilen zu kombinieren, was erst durch den Einsatz der hier vorgeschlagenen Verbindungstechnik, durch Einarbeitung der Verstärkungsfasern in die Metallteile einerseits und/oder durch Verlängerung der Metallteile als Fasern, Gelege, Pins, Netze und/oder Gitter in die Teile aus Faserverbundkunststoffen andererseits, zugänglich ist. Es werden im Verbund keine klaren Grenzflächen ausgebildet, die verklebt oder verbunden werden, sondern die Verbindungstechnik stellt einen breiten Übergangs-Grenzbereich dar, in der die beiden zu verbindenden Materialien sukzessive ineinander übergehen. Dabei ist auch vorgesehen, dass je nach Bedarf eine Verstärkung des Faserverstärkten Kunststoffes durch ein Metallgitter realisiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007027367 A1 [0007]
- DE 102009039999 A1 [0008]
