DE19546008A1 - Turbinenschaufel, die für den Einsatz im Naßdampfbereich von Vorend- und Endstufen von Turbinen vorgesehen ist - Google Patents
Turbinenschaufel, die für den Einsatz im Naßdampfbereich von Vorend- und Endstufen von Turbinen vorgesehen istInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, die für einen Einsatz im Naßdampfbereich
von Vorend- und Endstufen von Turbinen vorgesehen ist und einem Erosionsverschleiß
durch aufschlagende Wassertröpfchen unterliegt, entsprechend dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Im Bereich der Endstufen einer Dampfturbine oder schon davor ist die Entspannung
des Dampfes soweit fortgeschritten, daß sog. Naßdampf entsteht, also Dampf, der mit
kleinsten Tröpfchen kondensierten Wassers gemischt ist. Diese Wassertröpfchen tref
fen bei hoher Drehzahl der Turbine mit entsprechend hoher Geschwindigkeit auf die
Laufschaufeln und führen an deren Eintrittskanten und am Schaufelrücken zu einem
höchst unerwünschtem Erosionsverschleiß. Bei widrigen Einsatzbedingungen wird der
durch die Erosion bedingte maximal zulässige Materialabtrag schnell erreicht, so daß
sich die Nutzungsdauer der Schaufeln und damit die Standzeit der Turbine stark ver
kürzt. Gleichzeitig kommt es aber auch zu Wirkungsgradeinbußen, da sich die Profil
geometrie ändert. Die zunächst geschliffene relativ glatte Oberfläche des Schaufelblat
tes verwandelt sich durch die Erosion zunehmend in eine extrem rauhe Oberfläche, die
im Wesentlichen aus stehengebliebenen harten Martensitnadeln besteht. Auch der
Verlauf und die Form der Eintrittskante wird durch den erosiven Abtrag stark verändert.
Auf Grund der Querschnittsschwächung und der eingebrachten Kerben sinkt auch die
Zuverlässigkeit.
Um die genannten Probleme zu vermindern, hat man in Abhängigkeit von den berech
neten thermodynamischen Einsatzbedingungen die Eintrittskante und Teile des
Schaufelblattes von Vorend- und Endstufenlaufschaufeln flamm- und lasergehärtet. Ziel
dieser Härtung ist es, durch eine Änderung des Gefügezustandes die Materialeigen
schaften so zu verbessern, daß der Materialabtrag durch auftreffende Wassertröpfchen
verringert wird. Hierdurch wurde die anstehende Problematik zwar entschärft aber noch
keineswegs befriedigend gelöst.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel nach dem Oberbegriff des An
spruchs 1 zu schaffen, mit der die bisher erreichte Zuverlässigkeit, der mittlere Wir
kungsgrad über die Laufzeit und die Nutzungsdauer der von einer Tropfenerosion be
troffenen Laufschaufeln deutlich verbessert werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind
in den Unteransprüchen genannt.
Man kann davon ausgehen, daß sich die erosive Wirkung der auf die Laufschaufeln
auftreffenden Wassertröpfchen deutlich vermindert, wenn es gelingt, auf den betroffe
nen Oberflächen der Laufschaufeln einen eine Dämpfung bewirkenden Wasserfilm auf
zubauen. Hierzu ist vorgesehen, daß das Schaufelblatt im Bereich seiner Eintrittskante
und seines Schaufelrückens oder in mindestens einem Teilbereich davon eine Oberflä
chenrauhigkeit aufweist, die gegenüber der Oberflächenrauhigkeit der Vorderseite des
Schaufelblattes deutlich verstärkt ist. Die Oberflächenrauhigkeit sorgt dafür, daß die
auftreffenden Wassertröpfchen sich zunächst relativ gleichmäßig als Film über der
Oberfläche verteilen und dieser dann ständig durch neue Tröpfchen ergänzt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, der Oberflä
chenrauhigkeit eine bestimmte Struktur zu geben, mit der ein sich bildender Wasserfilm
trotz der Wirkung von Zentrifugalkräften besser auf der Oberfläche der betroffenen
Laufschaufelbereiche festgehalten wird, als das bei einer relativ gleichmäßigen Ober
flächenrauhigkeit der Fall wäre. Als besonders zweckmäßig erscheint eine Struktur, die
durch Riefen oder Rillen gebildet ist, wobei sich diese quer zur Zentrifugalrichtung ent
lang koaxial zur Turbinenwelle gedachter Kreise oder tangential zu diesen Kreisen er
strecken.
Der übliche Weg zur Erlangung der gewünschten Oberflächenrauhigkeit wird darin be
stehen, eine geeignete Oberflächenbearbeitung oder eine Oberflächenbeschichtung
speziell in den gewünschten Bereichen vorzunehmen. Wesentlich vorteilhafter ist es
jedoch, wenn die beim Fräsen des Schaufelblattes entstehende Oberflächenrauhigkeit
in den entsprechenden Bereichen der Eintrittskante und der Rückseite unverändert be
lassen wird und nur die übrigen, der Erosion nicht oder deutlich weniger ausgesetzten
Bereiche des Schaufelblattes durch Schleifen eine entsprechend reduzierte Oberflä
chenrauhigkeit erhalten. Die beim Fräsen entstehenden Riefen bilden eine geeignete,
den Wasserfilm gut haltende Struktur, wenn auch die Fräsrichtung quer zur Richtung
der Zentrifugalkraft verläuft.
Neben der Oberflächenrauhigkeit ist die Oberflächenhärtung ein hiervon zwar unab
hängiger aber weiterer wichtiger Faktor zur Verbesserung der Laufschaufeleigenschaf
ten im Hinblick auf die Tröpfchenerosion. Dabei ist allerdings darauf zu achten, daß bei
dem einer Härtung unterzogenen Bereich der Schaufel der Bereich eines in der
Schaufel vorgesehenen Dämpferdrahtloches ausgespart bleibt. Auch unter diesem
Aspekt ist es zweckmäßig, wenn sich die Härtung des Schaufelblattes entlang der Ein
trittskante erstreckt, beginnend am freien Ende der Schaufel in Richtung zum Schaufel
fuß, mit einer Länge von zwei Drittel der Länge des Schaufelblattes.
Der gehärtete Bereich kann auch so positioniert werden, daß sich die Härtung des
Schaufelblattes beginnend am freien Ende der Schaufel entlang der Eintrittskante als
Streifen einer solchen Breite erstreckt, daß er das Dämpferdrahtloch nicht tangiert, vor
diesem endet oder den Bereich um das Dämpferdrahtloch von einer Härtung ausspart.
Da sowohl die Härtung als auch die Oberflächenrauhigkeit dem Ziel einer Verminde
rung der Tröpfchenerosion dienen, wird man beide in etwa auf die gleichen Flächenbe
reiche beschränken. Abweichungen hiervon zur Erfüllung von Sonderbedingungen sind
jedoch problemlos möglich. So kann z. B. der Bereich verstärkter Oberflächenrauhigkeit
über den gehärteten Bereich und über das Dämpferdrahtloch hinausreichen, ohne daß
hierdurch eine Beeinträchtigung entsteht.
Wie Versuche gezeigt haben, ist es von Vorteil, wenn die Bereiche verstärkter Oberflä
chenrauhigkeit bei Rz = 30 bis 100 µm, vorzugsweise bei Rz = 60 bis 70 µm, liegen,
während die geschliffenen Bereiche bei Rz = 5 bis 20 µm, vorzugsweise bei Rz = 10
µm, liegen. Eine Rauhigkeit dieser Größe wird auch durch die beim Fräsen entstehen
den Rillen erzeugt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine durch Härtung und erhöhte Oberflächenrauhigkeit verbesserte Lauf
schaufel einer Dampfturbine mit Blick auf deren Rückseite,
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Laufschaufel, bei der der Bereich erhöhter
Oberflächenrauhigkeit den gehärteten Bereich überragt,
Fig. 3 eine erste Variante nach Fig. 1 mit einem langen, schmalen gehärteten
Bereich,
Fig. 4 eine zweite Variante nach Fig. 1 mit einem kurzen, breiten gehärteten Be
reich,
Fig. 5 eine dritte Variante nach Fig. 1 mit einem langen, breiten gehärteten Be
reich.
Die in Fig. 1 dargestellte Rückseite einer Turbinen-Laufschaufel zeigt ein Schaufelblatt
1 mit einem Dämpferdrahtloch 6 und einem Schaufelfuß 7. Besonders im Bereich ihrer
Eintrittskante 5 unterliegt die Laufschaufel, sofern sie im Naßdampfbereich eingesetzt
wird, einer Tropfenerosion, deren schädliche Wirkungen minimiert werden sollen. Eine
interessante Möglichkeit hierzu besteht darin, den Aufschlag der mit hoher kinetischer
Energie ankommenden Wassertröpfchen durch eine geeignete Dämpfung zu mindern.
Dies gelingt durch den Aufbau eines die gefährdeten Oberflächenbereiche schützenden
Wasserfilms. Es wird deshalb eine die Bildung des gewünschten Wasserfilms fördernde
und auch festhaltende erhöhte Oberflächenrauhigkeit 3 geschaffen, die sich entlang der
Eintrittskante 2 auf dieser und auf der Rückseite des Schaufelblattes 2 erstreckt. Das
Abfließen des Wasserfilms in Richtung der Zentrifugalkraft wird durch quer hierzu ver
laufende Rillen behindert. Solche Rillen entstehen bereits beim Fräsen des Schaufel
profils, so daß diese in ihrer Oberflächenstuktur unverändert beibehalten werden kön
nen. Das übliche Nachbehandeln der Oberfläche beschränkt sich somit auf einen
Schleifbereich 4 der verbleibenden Oberfläche.
Eine weitere Möglichkeit die Tropfenerosion der Laufschaufel zu vermindern, ergibt sich
durch Härten der betroffenen Bereiche. Ein solcher gehärteter Bereich 5 muß sich somit
wie der Bereich erhöhter Oberflächenrauhigkeit 3 entlang der Eintrittskante erstecken.
Dabei soll aber der unmittelbar um das Dämpferdrahtloch 6 herumgelegene Bereich
ungehärtet bleiben. Form und Lage des gehärteten Bereiches sind wesentlich von der
Größe und dem Einsatzbereich der betroffenen Laufschaufel abhängig. Wie man den
Fig. 3 bis 5 entnehmen kann, kommen jedoch in der Regel drei Varianten zur Anwen
dung. Die erste Variante nach Fig. 3 zeigt einen gehärteten Bereich 5a, der etwa zwei
Drittel der Länge des Schaufelblattes 1 beansprucht, aber so schmal ist, daß er ausrei
chend weit vom Dämpferdrahtloch 6 entfernt bleibt. Bei der zweiten Variante nach Fig. 4
ist der gehärtete Bereich 5b deutlich breiter aber so kurz, daß er vor Erreichen des
Dämpferdrahtloches 6 endet. Bei der dritten Variante nach Fig. 5 dagegen ist der ge
härtete Bereich 5c breit und lang, bildet aber um das Dämpferdrahtloch 6 herum eine
nicht gehärtete Aussparung 8.
Während bei einer Ausdehnung des gehärteten Bereiches 5 auf die Lage des Dämp
ferdrahtloches geachtet werden muß, ist eine solche Rücksichtnahme bei einer Aus
dehnung des Bereiches erhöhter Oberflächenrauhigkeit 3 nicht erforderlich. Bei Bedarf
ist es somit möglich, entsprechend Fig. 2 den Bereich erhöhter Oberflächenrauhigkeit
3 über den gehärteten Bereich 5 hinaus zu erweitern. Unabhängig von der Oberflä
chenrauhigkeit kann das Dämpferdrahtloch selbst gerundet und poliert werden.
Bezugszeichenliste
Schaufelblatt (1)
Eintrittskante (2)
Bereich erhöhter Oberflächenrauhigkeit (3)
Schleifbereich (4)
gehärteter Bereich (5)
Variante a des gehärteten Bereiches (5a)
Variante b des gehärteten Bereiches (5b)
Variante c des gehärteten Bereiches (5c)
Dämpferdrahtloch (6)
Schaufelfuß (7)
Aussparung (8)
Eintrittskante (2)
Bereich erhöhter Oberflächenrauhigkeit (3)
Schleifbereich (4)
gehärteter Bereich (5)
Variante a des gehärteten Bereiches (5a)
Variante b des gehärteten Bereiches (5b)
Variante c des gehärteten Bereiches (5c)
Dämpferdrahtloch (6)
Schaufelfuß (7)
Aussparung (8)
Claims (10)
1. Turbinenschaufel, die für einen Einsatz im Naßdampfbereich von Vorend-
und Endstufen von Turbinen vorgesehen ist und einem Erosionsverschleiß durch auf
schlagende Wassertröpfchen unterliegt und im Bereich der Eintrittskanten und Teilen
des Schaufelblattes (1) so behandelt ist, daß sich eine Herabsetzung des Erosionsver
schleißes ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (1) im Bereich seiner
Eintrittskante (2) und seines Schaufelrückens oder in mindestens einem Teilbereich
davon eine Oberflächenrauhigkeit (3) aufweist, die gegenüber der Oberflächenrauhig
keit der Vorderseite des Schaufelblattes (1) deutlich verstärkt ist.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöh
te Oberflächenrauhigkeit (3) gezielt so strukturiert ist, daß diese einen sich bildenden
Wasserfilm trotz der Wirkung von Zentrifugalkräften auf der Oberfläche festhält.
3. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die erhöhte Oberflächenrauhigkeit (3) durch Riefen oder Rillen ge
bildet ist, die sich quer zur Zentrifugalrichtung entlang koaxial zur Turbinenwelle ge
dachter Kreise oder tangential zu diesen Kreisen erstrecken.
4. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine geeignete Oberflächenbearbeitung oder eine Oberflächenbe
schichtung speziell in den gewünschten Bereichen eine einen Wasserfilm festhaltende
Oberflächenrauhigkeit erzeugt,
5. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die beim Fräsen des Schaufelblattes entstehende Oberflä
chenrauhigkeit (3) in den entsprechenden Bereichen der Eintrittskante (2) und der
Rückseite unverändert belassen ist und nur die übrigen, der Erosion nicht oder deutlich
weniger ausgesetzten Bereiche des Schaufelblattes (1) als Schleifbereiche (4) eine
entsprechend reduzierte Oberflächenrauhigkeit (3) aufweisen.
6. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß von der Tropfenerosion betroffene Bereiche des Schaufelblattes (1)
als gehärtete Bereiche (5) ausgebildet sind.
7. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich der gehärtete Bereich des Schaufelblattes (1) entlang der Ein
trittskante (2) erstreckt, beginnend am freien Ende des Schaufelblattes (1) in Richtung
zum Schaufelfuß (7) mit einer Länge von etwa zwei Drittel der Länge des Schaufelblat
tes (1).
8. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß der gehärtete Bereich des Schaufelblattes (1) am freien
Ende der Schaufel beginnend sich entlang der Eintrittskante als Streifen in einer sol
chen Breite erstreckt, daß er ein Dämpferdrahtloch (6) nicht tangiert, vor diesem endet
oder den Bereich um das Dämpferdrahtloch (6) von einer Härtung ausspart.
9. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich der Bereich verstärkter Oberflächenrauhigkeit (3) auf die gehär
teten Bereiche (5) beschränkt oder über diese hinausreicht.
10. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Bereiche verstärkter Oberflächenrauhigkeit (3) bei Rz = 30 bis
100 µm, vorzugsweise bei Rz = 60 bis 70 µm, liegen, während die geschliffenen Berei
che bei Rz = 5 bis 20 µm, vorzugsweise bei Rz = 10 µm, liegen.
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