DE19857653C2

DE19857653C2 - Laufschaufel einer mehrstufigen Dampfturbine

Info

Publication number: DE19857653C2
Application number: DE19857653A
Authority: DE
Inventors: Manabu Komiyama; Yoriharu Murata; Toshio Suzuki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2018-12-15
Also published as: CN1133797C; AU9710598A; ID21497A; CN1220340A; DE19857653C5; JPH11182204A; US6322323B1; AU729748B2; DE19857653A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laufschaufel einer mehrstufigen Dampfturbine und insbesondere auf eine Laufschaufel mit einer Vorderkante mit verbesserter Struktur.

Normalerweise enthält eine Dampfturbine eine Mehrzahl von Stufen, von denen jede durch Kombination einer stationären Turbinenschaufel, die Turbinendüse genannt wird, und eine Laufschaufel gebildet ist, die Turbinen "bucket" genannt wird. Eine Mehrzahl von Stufen ist auf einer Turbinenwelle (Rotor) längs der Strömung eines Turbinenantriebsdampfes (Hauptströmung) angeordnet und die stationären und die beweglichen Turbinenschaufeln bzw. Laufschaufeln sind in einer ringförmigen Folge längs der Umfangsrichtung der Turbinenwelle angeordnet.

Unter der Mehrzahl von auf der Turbinenwelle angeordneten Stufen wird die letzte Stufe von Naßdampf getrieben, der thermische Energie verloren hat und eine große Menge von Tropfen enthält, wodurch ein Erosionsproblem verursacht werden kann. Insbesondere die Laufschaufel empfängt direkt Tropfen des Naßdampfes, die von der stromoberhalb von ihr angeordneten stationären Schaufel abspritzen. Der Naßdampf kann auf der bezüglich der Turbinendampfströmung vorlaufenden Kante bzw. Vorderkante der Laufschaufel Erosion verursachen. Da die Laufschaufel in der letzten Stufe etwa einen Meter lang ist im Ver gleich mit denen der andere Stufen eine größere Zentrifugalkraft und Vibrationsbean spruchung aufweist, besteht beim Auftreten von Erosion die Gefahr, daß ein stabiler Be trieb durch deren synergistische Wirkung nachteilig beeinflußt wird. Mehrstufige Dampf turbinen, für die die nachfolgend erläuterte Erfindung verwendbar ist, mit beispielsweise einer Hochdruckstufe und Niederdruckstufen sind im Stand der Technik bekannt und werden daher nicht erläutert.

Fig. 5 zeigt eine herkömmliche Laufschaufel einer Turbine, bei der in der o. g. Umgebung durch Naßdampf verurachte Erosion verhindert werden soll, indem eine Erosionsschutz platte 3 aus gegenüber Erosion hoch schützendem Material, wie beispielsweise mit Kobalt legiertem Stahl, auf der Vorderkante des Hauptkörpers der Laufschaufel 1 (nachfolgend Laufschaufelkörper 1 oder einfach Schaufelkörper 1 genannt), beispielsweise durch Silberhartlöten oder Schweißen befestigt wird. Das heißt, ein Bereich der Vorderkante des beweglichen Schaufelkörpers ist derart ausgebildet, daß er einen ausgesparten Bereich aufweist, in den das Erosionsschutzteil als getrenntes Bauteil eingeschweißt ist.

Bei einem solchen Silberhartlöten oder Schweißen tritt jedoch ein Verbindungsfehler auf grund von Restspannungen auf, die im Basismaterial des Schaufelkörpers 1 bleiben. Nach dem die Laufschaufel während einer langen Zeitdauer eingesetzt wurde, kann sich die Erosionsschutzplatte 3 ablösen. Wenn die Erosionsschutzplatte wiederholt ausgetauscht wird, werden desweiteren aufgrund von thermischen Wirkungen verschiedene Probleme verursacht einschließlich des Auftreten von Ermüdung des Grundmaterials des Schaufelkör pers 1. Unter Berücksichtigung dieser Umstände wurden die folgenden Maßnahmen für die Laufschaufel ergriffen, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Wenn das Erosionsschutzteil 3a an der Vorderkante 2 des Schaufelkörpers 1 befestigt wird, wird lokal an dem Schaufelkörper 1 und dem Erosionsschutzteil 3a eine Oberflächenflammenhärtung vorgenommen, um eine hohe Widerstandsfähigkeit bzw. Festigkeit zu erreichen und dadurch eine Erosion durch den Naßdampf zu verhindern.

Wie vorstehend beschrieben, wird bei einer Laufschaufel jüngeren Datums eine Ober flächenflammenhärtung anstelle einer Verbindung wie beispielsweise Schweißen durchge führt, wenn das Erosionsschutzteil 3a an der Vorderkante 2 des Schaufelkörpers 1 befestigt wird. Entsprechend können Schweißfehler, ein Abheben und ähnliches vermieden werden und die bewegliche Schaufel kann dadurch betrieben werden während ihre Qualität selbst unter harten Bedingungen in einem stabilen Zustand bleibt.

Normalerweise wird 12-Chrom-Legierungsstahl häufig für das Grundmaterial des Schaufel körpers 1 in der Laufschaufel verwendet. Da es zwischen dem Erosionsschutzteil 3a und dem 12-Chrom-Legierungsstahl Bereiche gibt, die einer Flammenhärtung unterworfen werden, und Bereiche, die keiner Flammenhärtung unterworfen werden, kann in diesem Fall manchmal eine Restspannungskraft auftreten. Aus diesem Grund reißen die der Flammenhärtung ausgesetzten Bereiche häufig aufgrund von Spannungsrißkorrosion oder Ermüdung, wodurch es schwierig ist, die Qualität der Laufschaufel in einem stabilen Zustand zu halten.

Um die in dem 12-Chrom-Legierungsstahl erzeugten Restzugspannungen zu unterdrücken, wird beispielsweise vorgeschlagen, Bereiche, die der Flammenhärtung ausgesetzt sind, Ku gel zu strahlen. Dies aber ist keine dauerhafte Maßnahme zur Aufrechterhaltung stabiler Qualität.

Aus der DE-PS 536 278 ist eine Turbinenschaufel mit einem Erosionsschutzbelag bekannt, wobei die Schaufel eine solche Form aufweist, daß sie ohne Schutzbelag verwendet werden kann und der Schutzbelag derart geformt ist, daß er nach seinem Aufbringen einen strom linienförmigen Querschnitt der Schaufel wahrt. Der Schutzbelag kann an dem Schaufelkör per beispielsweise durch Vernieten oder durch Löten, Hartlöten oder Schweißen befestigt werden.

Aus der DE 195 46 008 A1 ist eine Turbinenschaufel für den Einsatz im Naßdampfbereich von Turbinen bekannt, bei der das Schaufelblatt bzw. der Schaufelkörper zur Verminde rung von Verschleiß durch Erosion im Bereich seiner Vorderkante und seines Rückens eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, die gegenüber der Oberflächenrauhigkeit der Vorderseite des Schaufelkörpers deutlich verstärkt ist. Damit soll ein eine Dämpfung des Aufpralls der Wassertröpfchen bewirkender Wasserfilm geschaffen werden.

Das Abstract JP 58-220902 (A), von dem im Oberbegriff der beigefügten unabhängigen Patentansprüche ausgegangen wird, beschreibt einen Turbinenrotor mit Laufschaufeln aus einer Titanlegierung, wobei einzelne der Laufschaufeln (im dargestellten Beispiel jede vierte Laufschaufel) mit Erosionsschutzteilen versehen sind, die um etwa 1 bis 30 mm über die Vorderkante vorstehen und sich im radial äußeren Bereich über etwa 1/3 der Gesamt länge einer Laufschaufel erstrecken. Die Anzahl der mit Erosionsschutzteilen versehenen Laufschaufeln ist derart, daß ein ausreichender Erosionsschutz für den gesamten Rotor erzielt wird. Eine gesonderte Oberflächenhärtung ist nicht vorgesehen.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten, im Stand der Technik vorhandenen Probleme im wesentlichen auszuschalten und eine Laufschaufel für eine mehrstufige Dampfturbine zu schaffen, die wirksam vor Erosion geschützt ist und über lange Zeit eine einwandfreie Qualität aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einer Laufschaufel gemäß den Patentansprüchen 1, 4 und 5 gelöst.

Infolge der oberflächlichen Flammhärtung des materialeinheitlich integral mit dem Lauf schaufelkörper ausgebildeten Erosionsschutzteils bestehen im Grundmaterial des Schau felkörpers nur geringe Restspannungen, wodurch eine hohe Stabilität und Betriebssicherheit der Laufschaufel erzielt wird, ohne daß sehr teures Material verwendet werden muß. Mit den Dimensionierungen gemäß dem Anspruch 1 wird eine hohe Erosionssicherheit und Langzeithaltbarkeit der Schaufel insgesamt erzielt.

Die Unteransprüche 2 und 3 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Laufschaufel gerichtet.

Die Ansprüche 4 und 5 sind auf zwei weitere Laufschaufeln zur Lösung der Erfindungs aufgabe gerichtet.

Die Merkmale der Unteransprüche 6 und 7 bilden die jeweiligen zugehörigen Laufschau feln in vorteilhafter Weise weiter.

Das Wesen und weitere charakteristische Eigenschaften der Erfindung werden im folgen den anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In den beigefügten Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der ersten Lösung der erfindungsge mäßen Laufschaufel;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die den Vergleich einer in der erfindungsgemäßen Laufschaufel erzeugten Restzugkraft mit einer herkömmlichen Laufschaufel zeigt;

Fig. 3 eine schematische Aufsicht einer zweiten Lösung der erfindungsge mäßen Laufschaufel;

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer dritten Lösung der erfindungsge mäßen Laufschaufel;

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer herkömmlichen Laufschaufel; und

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer weiteren Laufschaufel.

Beschreibung der bevorzugten Lösungen oder Ausführungsformen

Lösungen der erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer ersten Lösung der erfindungsgemä ßen Turbinenlaufschaufel.

Eine Turbine ist im allgemeinen mit einer Mehrzahl von Stufen versehen, von denen jede Laufschaufeln und stationäre Schaufeln umfaßt.

Die Laufschaufel der ersten Lösung der hat eine Struktur, bei der ein Erosions schutzteil 6 kontinuierlich bzw. materialeinheitlich integral mit einer vorlaufenden Kante bzw. Vorderkante 5 eines Laufschaufelhauptkörpers 4 (lediglich Laufschaufelkörper oder im folgenden einfach Schaufelkörper 4 genannt) die an einem bezüglich einer Turbinen dampfströmung vorderen Bereich des Laufschaufelkörpers derart ausgebildet ist, daß es von der Vorderkante zur stromaufwärtigen Seite vorsteht. Der Laufschaufelkörper und das Erosionsschutzteil werden beispielsweise mittels eines Formverfahrens zusammen herge stellt bzw. ausgebildet. Eine Länge A in Schaufelhöhen(längs)richtung des Erosionsschutz teils 6 ist so gewählt, daß sie innerhalb eines Bereiches von 10% bis 45% der wirksamen Länge (die Länge von der Schaufelbasis zur Schaufelspitze) des Schaufelhauptkörpers liegt, und eine Tiefe B in Breitenrichtung der Schaufelrichtung beträgt mindestens 1 mm oder mehr.

Wie aus den Vorstehenden ersichtlich, ist bei dieser Lösungen das Erosionsschutz teil 6 materialeinheitlich integral mit der Vorderkante 5 des Schaufelkörpers 4 ausgebildet bzw. ragt vor und die Länge A ist so gewählt, daß sie innerhalb eines Bereiches von 10 % bis 45% der wirksamen Länge des Schaufelkörpers liegt, und dessen Tiefe B ist so gewählt, daß sie wenigstens 1 mm oder mehr beträgt. Wenn das Erosionsschutzteil 6 und die Vorderkante 5 einer Oberflächenflammenhärtung unterworfen werden, ist es ent sprechend möglich, eine in dem Schaufelkörper 4 erzeugte Restspannungskraft auf einem niederen Wert zu halten, unabhängig von der Tatsache, daß während der Behandlung Bereiche vorhanden sind, die der Flammenhärtung ausgesetzt sind, und Bereiche, die keiner Flammenhärtung ausgesetzt sind.

Wenn bei dieser Lösung die Oberflächenflammenhärtung an dem Erosionsschutz teil 6 und der Vorderkante 5 durchgeführt wird, erleidet das Grundmaterial des Schaufelkörpers 4 bei dieser Ausführungsform keine thermische Wirkung, da das Erosionsschutzteil 6 materialeinheitlich integral mit der Vorderkante 5 derart ausgebildet ist, daß es vorsteht. Es ist daher möglich, die Qualität des Laufschaufelkörpers 4 in einem stabilen Zustand zu halten.

In Fig. 2 zeigt die Ordinatenachse einen Zugspannungswert an der Oberseite und einen Druckspannungswert bezüglich eines Nullspannungswertes, wohingegen die Abszissenachse die Entfernung (Schaufelcode) von der Vorderkante des Erosionsschutzteils zur Hinterkante (Basiskante) des Schaufelkörpers angibt. Es sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsge mäße Turbinenlaufschaufel für alle Turbinenstufen verwendbar ist, obwohl die Beschrei bung nur für die Anwendung auf die Turbinenlaufschaufel der letzten Stufe gegeben ist.

Fig. 3 ist eine schematische Aufsicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemä ßen Turbinenlaufschaufel.

Die Turbinenlaufschaufel dieser Ausführungsform hat eine Struktur, bei der das Ero sionsschutzteil 6 vorgesehen ist, um materialeinheitlich integral mit der Vorderkante 5 des Schaufelkörpers 4 vorstehend ausgebildet zu werden, und bei der eine Segmentabdeckung 8 an dem oberen Schaufelbereich 7 vorgesehen ist. Die Segmentabdeckung 8 soll Schwin gungen unterdrücken, die während der Drehung des Schaufelkörpers 4 entstehen. Bezugs zeichen 9 bezeichnet ein vorspringendes Teil (Ansatz), das in der Mitte des Schaufelkör pers 4 in Schaufellängsrichtung vorgesehen ist und zur Schwingungsunterdrückung verwen det wird.

In der Nähe der letzten Stufe der Turbine, in die Dampf hoher Feuchtigkeit strömt, sei an genommen, daß die Absolutgeschwindigkeit des in den Schaufelkörper 4 strömenden Damp fes C2 ist, die Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelelementhauptkörpers 4 U ist, und daß die Relativgeschwindigkeit W2 ist; dann ist das Geschwindigkeitsdreieck wie in Fig. 3 dar gestellt. Wenn weiter angenommen wird, daß die Absolutgeschwindigkeit der Tröpfchen P und Q, die auf das Erosionsschutzteil 6 eines Laufschaufelkörpers 4 und das Erosions schutzteil 6 des benachbarten Laufschaufelkörpers 4 gelangen, Cw ist und die Relativge schwindigkeit Ww beträgt, dann ist die Absolutgeschwindigkeit Cw der Tröpfchen P und Q kleiner als die des Dampfes, da der Teilchendurchmesser eines Tröpfchens, das von der stationären Turbinenschaufel (Düse) erzeugt wird, die stromoberhalb der Turbinenlauf schaufel bezüglich der Turbinendampfströmung angeordnet ist, groß ist und ein Verschleiß auftritt, während das Tröpfchen längs der Schaufeloberfläche strömt. Die Relativgeschwin digkeit Ww der Tröpfchen P und Q ist größer als die des Dampfes, da die Umfangs geschwindigkeit U des Schaufelkörpers 4 die gleiche ist.

Wenn die Absolutgeschwindigkeit Ww der Tröpfchen P und Q groß ist, sind deren Stoß kräfte entsprechend hoch und für die Segmentabdeckung 4 müssen Erosionsschutzmaßnah men ergriffen werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform aber ist das Erosionsschutz teil 6 materialeinheitlich integral mit der Vorderkante 5 des Schaufelkörpers 4 ausgebildet und das Erosionsschutzteil 6 ist bezüglich der Segmentabdeckung 8 stromoberhalb vor springend. Entsprechend ist es möglich, daß das Erosionsschutzteil 6 die Stoßkraft auf nimmt und dadurch die Segmentabdeckung 8 schützt.

Entsprechend ist bei der vorliegenden Ausführungsform daher die Turbinenlaufschaufel derart konstruiert, daß das Erosionsschutzteil 6 die Stoßkraft der Teilchen P und Q aufnimmt, wodurch es möglich ist, die Qualität der Segmentabdeckung 8 in einem stabilen Zustand zu halten.

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel und die Laufschaufel 4 der vorliegenden Ausführungsform hat die gleiche Form wie die der Fig. 1, obwohl sie in Fig. 4 schematisch der Einfachheit halber wie ein Plattenbauteil dargestellt ist.

Die Turbinenlaufschaufel dieser Ausführungsform hat eine Struktur, bei der ein Ero sionsschutzteil 6 materialeinheitlich integral mit der Vorderkante 5 des Schaufelkörpers 4 derart ausgebildet ist, daß sie vorsteht, eine Dämpfungsschaufelabdeckung 11 an dem Ver längerungsteil 10 (Schaufelverlängerung) des oberen Schaufelbereiches bzw. Scheitelberei ches vorgesehen ist, das kontinuierlich bzw. matererialeinheitlich einteilig mit dem oberen Bereich des Schaufelkörpers 4 ausgebildet ist, und bei der das Erosionsschutzteil 6 be züglich der Schaufelabdeckung 11 stromaufwärts vorspringt.

Herkömmlicherweise ist bei der Turbinenlaufschaufel eine Schaufelabdeckung 1 I zwischen der Schaufelverlängerung 10 des Schaufelkörpers 4 einer der Laufschaufeln und der Schaufelverlängerung 10 des Schaufelkörpers 4 einer anderen der Laufschaufeln neben der erstgenannten vorgesehen, wobei ein Zapfen (nicht dargestellt) durch ein Zapfenloch 12 verstemmt ist, das durch die Verlängerung 10 des oberen Schaufelbereiches hindurchreicht, um die Schaufelabdeckung 11 anzuschließen und eine Schwingung des Schaufelkörpers 4 zu unterdrücken, die beim Betrieb entsteht. Wenn in diesem Fall die Oberflächenflammen härtung an der Vorderkante 5 des Schaufelkörpers 4 ohne Vorhandensein des Erosions schutzteils 6 durchgeführt wird, erleidet das Zapfenloch 12 eine thermische Wirkung und an dem Rand tritt ein Riß, beispielsweise als Bruch, auf.

Unter den Umständen der vorliegenden Ausführungsform ist die Länge C vom Rand des Zapfenloches 12 zum Rand des Erosionsschutzteils 6 als wenigstens nicht weniger als 2 mm gewählt, um dadurch zu ermöglichen, daß das Zapfenloch 12 eine geringere thermi sche Einwirkung erleidet, die von der Flammenhärtung herrührt. Es kann sichergestellt werden, daß das Zapfenloch 12 vor dieser Wirkung geschützt wird.

Wie vorstehend beschrieben, wird bei der erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel ein Erosionsschutzteil vorgesehen, das materialeinheitlich integral mit der Vorderkante eines Laufschaufelkörpers ausgebildet ist und von ihm vorsteht. Selbst wenn die Vorderkante und das Erosionsschutzteil einer Oberflächenflammenhärtung unterworfen werden, ist es dabei möglich, die Qualität des Schaufelkörpers in einem stabilen Zustand zu halten.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und es kön nen viele Abänderungen und Modifizierungen durchgeführt werden, ohne daß der Schutz bereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird.

Claims

1. Laufschaufel einer mehrstufigen Dampfturbine, die bezüglich der Dampfanströmung einen Vorderkantenbereich (5) und ein vom Vorderkantenbereich in dessen von der Turbinen achse entferntem Endbereich vorstehendes Erosionsschutzteil (6) aufweist, das material einheitlich integral mit dem Laufschaufelkörper (4) ausgebildet ist, und in seiner Breitenrich tung eine Tiefe B von wenigstens 1 mm hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Erosionsschutzteil (6) durch Flammhärtung oberflächengehärtet ist und in Längs richtung des Laufschaufelkörpers eine Länge von 10% bis 45% der gesamten Länge des Laufschaufelkörpers aufweist.

2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Laufschaufeln zumindest einer Stufe mit den Erosionsschutzteilen (6) ausgebildet sind.

3. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Laufschaufelkörper (4) der Mehrzahl von Stufen der Dampfturbine mit Erosionsschutzteilen (6) versehen sind.

4. Laufschaufel einer mehrstufigen Dampfturbine, die bezüglich der Dampfanströmung einen Vorderkantenbereich (5) und ein vorstehendes Erosionsschutzteil (6) aufweist, das materialeinheitlich integral mit dem Laufschaufelkörper (4) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Erosionsschutzteil (6) von dem Vorderkantenbereich (5) bezüglich der Dampfanströmung in stromaufwärtiger Seite über eine Segmentabdeckung (8) vorsteht, die zwischen oberen Bereichen (7) zweier benachbarter Laufschaufelkörper (4) vorgesehen ist.

5. Laufschaufel einer mehrstufigen Dampfturbine, die bezüglich der Dampfanströmung einen Vorderkantenbereich (5) und ein vorstehendes Erosionsschutzteil (6) aufweist, das materialeinheitlich integral mit dem Laufschaufelkörper (4) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand (C) zwischen einem Basisrandbereich, von dem das Erosionsschutzteil (6) vorsteht, und einem Außenrandbereich eines Zapfenlochs (12), das zum Anschluß einer Schaufelabdeckung (11) ausgebildet ist, die zwischen oberen Bereichen zweier benachbarter Laufschaufelkörper (4) angeordnet ist, wenigstens 2 mm beträgt.

6. Laufschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Erosionsschutzteil (6) auch über den Ort der Schaufelabdeckung (11) auf der stromaufwärtigen Seite der Dampfan strömung vorsteht.

7. Laufschaufel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufschaufel körper (4) einen Bereich aufweist, der als Verlängerung (10) an dessen oberem Ende ausge bildet ist, und daß das Zapfenloch (12) an der Verlängerung ausgebildet ist.