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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Laufschaufel einer mehrstufigen
Dampfturbine und insbesondere auf eine Laufschaufel mit einer Vorderkante mit
verbesserter Struktur.
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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.
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Unter
der Mehrzahl von auf der Turbinenwelle angeordneter 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 Vergleich mit denen der andere Stufen eine größere Zentrifugalkraft und Vibrationsbeanspruchung
aufweist, besteht beim Auftreten von Erosion die Gefahr, daß ein stabiler
Betrieb durch deren synergistische Wirkung nachteilig beeinflußt wird. Mehrstufige
Dampfturbinen, 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.
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5 zeigt eine herkömmliche Laufschaufel einer
Turbine, bei der in der o. g. Umgebung durch Naßdampf verurachte Erosion verhindert
werden soll, indem eine Erosionsschutzplatte 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.
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Bei
einem solchen Silberhartlöten
oder Schweißen
tritt jedoch ein Verbindungsfehler aufgrund von Restspannungen auf,
die im Basismaterial des Schaufelkörpers 1 bleiben. Nachdem
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 Schaufelkörpers 1.
Unter Berücksichtigung
dieser Umstände
wurden die folgenden Maßnahmen
für die
Laufschaufel ergriffen, wie sie in 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.
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Wie
vorstehend beschrieben, wird bei einer Laufschaufel jüngeren Datums
eine Oberflächenflammenhärtung anstelle
einer Verbindung wie beispielsweise Schweißen durchgeführt, 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.
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Normalerweise
wird 12-Chrom-Legierungsstahl häufig
für das
Grundmaterial des Schaufelkörpers 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.
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Um
die in dem 12-Chrom-Legierungsstahl erzeugten Restzugspannungen
zu unterdrücken, wird
beispielsweise vorgeschlagen, Bereiche, die der Flammenhärtung ausgesetzt
sind, Kugel zu strahlen. Dies aber ist keine dauerhafte Maßnahme zur
Aufrechterhaltung stabiler Qualität.
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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 stromlinienförmigen Querschnitt der Schaufel
wahrt. Der Schutzbelag kann an dem Schaufelkörper beispielsweise durch Vernieten oder
durch Löten,
Hartlöten
oder Schweißen
befestigt werden.
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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
Verminderung 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.
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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 Gesamtlänge
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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Laufschaufel gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Infolge
der oberflächlichen
Flammhärtung des
materialeinheitlich integral mit dem Laufschaufelkörper ausgebildeten
Erosionsschutzteils bestehen im Grundmaterial des Schaufelkörpers 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.
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Die
Unteransprüche
2 und 3 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Laufschaufel
gerichtet.
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Das
Wesen und weitere charakteristische Eigenschaften der Erfindung
werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
erläutert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In
den beigefügten
Zeichnungen stellen dar:
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1 eine
schematische Ansicht der ersten Lösung der erfindungsgemäßen Laufschaufel;
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2 eine
graphische Darstellung, die den Vergleich einer in der erfindungsgemäßen Laufschaufel
erzeugten Restzugkraft mit einer herkömmlichen Laufschaufel zeigt;
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3 eine
schematische Aufsicht einer zweiten Lösung der erfindungsgemäßen Laufschaufel;
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4 eine
schematische Ansicht einer dritten Lösung der erfindungsgemäßen Laufschaufel;
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5 eine schematische Ansicht einer herkömmlichen
Laufschaufel; und
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6 eine schematische Ansicht einer weiteren
Laufschaufel.
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Beschreibung der bevorzugten Lösungen oder
Ausführungsformen
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Lösungen der
erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel
werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
eine schematische Ansicht einer ersten Lösung der erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel.
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Eine
Turbine ist im allgemeinen mit einer Mehrzahl von Stufen versehen,
von denen jede Laufschaufeln und stationäre Schaufeln umfaßt.
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Die
Laufschaufel der ersten Lösung
der hat eine Struktur, bei der ein Erosionsschutzteil 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 Turbinendampfströmung
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 hergestellt bzw. ausgebildet. Eine Länge A in Schaufelhöhen(längs)richtung
des Erosionsschutzteils 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.
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Wie
aus den Vorstehenden ersichtlich, ist bei dieser Lösungen das
Erosionsschutzteil 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 entsprechend 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.
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Wenn
bei dieser Lösung
die Oberflächenflammenhärtung an
dem Erosionsschutzteil 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.
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In 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 erfindungsgemäße Turbinenlaufschaufel
für alle
Turbinenstufen verwendbar ist, obwohl die Beschreibung nur für die Anwendung
auf die Turbinenlaufschaufel der letzten Stufe gegeben ist.
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3 ist
eine schematische Aufsicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel.
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Die
Turbinenlaufschaufel dieser Ausführungsform
hat eine Struktur, bei der das Erosionsschutzteil 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 Schwingungen
unterdrücken,
die während
der Drehung des Schaufelkörpers 4 entstehen.
Bezugszeichen 9 bezeichnet ein vorspringendes Teil (Ansatz), das
in der Mitte des Schaufelkörpers 4 in
Schaufellängsrichtung
vorgesehen ist und zur Schwingungsunterdrückung verwendet wird.
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In
der Nähe
der letzten Stufe der Turbine, in die Dampf hoher Feuchtigkeit strömt, sei
angenommen, daß die
Absolutgeschwindigkeit des in den Schaufelkörper 4 strömenden Dampfes
C2 ist, die Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelelementhauptkörpers 4 U
ist, und daß die
Relativgeschwindigkeit W2 ist; dann ist das Geschwindigkeitsdreieck wie
in 3 dargestellt. Wenn weiter angenommen wird, daß die Absolutgeschwindigkeit
der Tröpfchen P
und Q, die auf das Erosionsschutzteil 6 eines Laufschaufelkörpers 4 und
das Erosionsschutzteil 6 des benachbarten Laufschaufelkörpers 4 gelangen,
Cw ist und die Relativgeschwindigkeit 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 Turbinenlaufschaufel bezüglich der Turbinendampfströmung angeordnet
ist, groß ist
und ein Verschleiß auftritt,
während
das Tröpfchen
längs der
Schaufeloberfläche
strömt.
Die Relativgeschwindigkeit Ww der Tröpfchen P und Q ist größer als
die des Dampfes, da die Umfangsgeschwindigkeit U des Schaufelkörpers 4 die
gleiche ist.
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Wenn
die Absolutgeschwindigkeit Ww der Tröpfchen P und Q groß ist, sind
deren Stoßkräfte entsprechend
hoch und für
die Segmentabdeckung 4 müssen Erosionsschutzmaßnahmen
ergriffen werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform aber ist das Erosionsschutzteil 6 materialeinheitlich
integral mit der Vorderkante 5 des Schaufelkörpers 4 ausgebildet
und das Erosionsschutzteil 6 ist bezüglich der Segmentabdeckung 8 stromoberhalb
vorspringend. Entsprechend ist es möglich, daß das Erosionsschutzteil 6 die
Stoß kraft
aufnimmt und dadurch die Segmentabdeckung 8 schützt.
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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.
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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 1, obwohl
sie in 4 schematisch der Einfachheit halber wie ein Plattenbauteil
dargestellt ist.
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Die
Turbinenlaufschaufel dieser Ausführungsform
hat eine Struktur, bei der ein Erosionsschutzteil 6 materialeinheitlich
integral mit der Vorderkante 5 des Schaufelkörpers 4 derart
ausgebildet ist, daß sie
vorsteht, eine Dämpfungsschaufelabdeckung 11 an
dem Verlängerungsteil 10 (Schaufelverlängerung)
des oberen Schaufelbereiches bzw. Scheitelbereiches vorgesehen ist,
das kontinuierlich bzw. matererialeinheitlich einteilig mit dem
oberen Bereich des Schaufelkörpers 4 ausgebildet
ist, und bei der das Erosionsschutzteil 6 bezüglich der Schaufelabdeckung 11 stromaufwärts vorspringt.
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Herkömmlicherweise
ist bei der Turbinenlaufschaufel eine Schaufelabdeckung 11 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 Oberflächenflammenhärtung an
der Vorderkante 5 des Schaufelkörpers 4 ohne Vorhandensein
des Erosionsschutzteils 6 durchgeführt wird, erleidet das Zapfenloch 12 eine
thermische Wirkung und an dem Rand tritt ein Riß, beispielsweise als Bruch,
auf.
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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 thermische Einwirkung erleidet,
die von der Flammenhärtung
herrührt.
Es kann sichergestellt werden, daß das Zapfenloch 12 vor
dieser Wirkung geschützt
wird.
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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.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und
es können
viele Abänderungen
und Modifizierungen durchgeführt werden,
ohne daß der
Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen
wird.