DE2014290A1

DE2014290A1 - Verfahren und Einrichtung zum Schutz von Bauteilen gegen Tropfenschlag

Info

Publication number: DE2014290A1
Application number: DE19702014290
Authority: DE
Inventors: Carlo Baden Faber Guy Oberrohrdorf Maggi, (Schweiz) M
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1969-12-23
Filing date: 1970-03-25
Publication date: 1971-07-01
Also published as: US3689178A; FR2074077A5; CH544216A

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren und Einrichtung zum Schutz von Bauteilen gegen

Tropfenschlag ' g

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz gegen Erosion von Bauteilen, die durch auftreffende Flüssigkeitstropfen hoher Geschwindigkeit gefährdet sind, und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Wenn Flüssigkeitstropfen mit sehr hohen Geschwindigkeiten auf Metallen oder anderen Werkstoffen auftreffen, verursachen sie Erosionen, dh·, kleine Werkstoff teile brechen nach einer gewis- ä sen Zeit aus. Die Ersosionswirkung hängt vor allem von der Auftreffgeschwindigkeit der Tropfeh ab, deren Durchmesser, dem Auftreffwinkel auf die Oberfläche des Bauteils und den spezifischen Eigenschaften des erodierenden Werkstoffes. Durch.den Abtrag wird die Oberfläche zuerst rauh, dann bilden sich den auftreffenden Tropfen entgegengerichtete Spitzen aus, die nun langsamer, aber doch noch immer weiter abgetragen werden. Die Reibungsverluste

einer Strömung an derartig erodierten Oberflächen sind dementsprechend gross. ■ r -■

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Niederdruck-Schaufeln von Dampfturbinen, die zeitweise oder ständig im Sattdampfgebiet laufen, sind sehr erosionsgefährdet. Besonders der radial aussenliegende Teil der Eintrittskante kann stark abgetragen werden, was zu einer Einbusse an Wirkungsgrad führt» Auch ist zu berücksichtigen, dass erodierte Schaufeln kaum repariert werden können.

Zum Schutz gegen Erosion werden daher Dampfturbinen-Schaufeln entweder aus einem erosionsfesten Werkstoff hergestellt, z.B. aus gehärtetem 12^-igem Chromstahl, oder an der Eintrittskante mit einer aufgelösten Hartmetallplatte (Stellit) versehen. Bei Verwendung von Titan- oder Kunststoffschaufeln ist eine Härtung nicht möglich. Das Anbringen von Stellitschilden ist bei Titanschaufeln wegen der Temperatureinflüsse bei der Hartlötung und bei Kunststoffschaufeln wegen des Gewichtes mit Schwierigkeiten verbunden. Auch lassen sich die für den Erosionsv/iderstand massgebenden Eigenschaften eines Werkstoffes, nämlich Festigkeit bei gleichzeitiger Zähigkeit, bei Steinten kaum noch steigern, so dass bei erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten sogar bei Stelliten grösjere Abträge zu erwarten sind.

Wenn Flugzeuge mit Ueberschallgeschwindigkeit Regenwolken durchfliegen, so werden die Flügelnasen durch die Regentropfen so stark erodiert, dass schon nach mehreren Malen die aus einer Leichtmetalllegierung bestehende Beplankung ausgewechselt werden muss. Die einzige Abhilfemöglichkeit sieht man darin, den Erosions·

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widerstand der verwendeten Metalle zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Tropfenschlag gefährdete Bauteile gegen Erosion zu schützen, ohne den Werkstoff einer Sonderbehandlung unterziehen zu müssen oder ihn an den besonders betroffenen Stellen durch einen erosionswiderstandsfähigeren Werkstoff ersetzen zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfi ndungsgemäss dadurch gelöst, dass die Tropfen vor dem Auftreffen auf den Bauteilen zerteilt und dabei ' abgebremst werden.

Eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch Prallkörper kleiner Masse, die, in Auftreffrichtung der Tropfen gesehen, vor den gefährdeten Bauteilen angeordnet sind.

Statt eines festen, steifen, massiven Erosionsschildes werden -erfindungsgemäss Prallkörper verwendet, die infolge ihrer kleinen Masse und weil sie, abgesehen von der Befestigung, an dem zu schützenden Bauteil nicht aufliegen, nachgiebig sind und daher beim Auftreffen eines Tropfes in Aufschlagrichtung oder.seitlich dazu elastisch ausgelenkt werden können· Dieses Ausweichen der Prallkörper bei Auftreffen eines Tropfens ergibt die gleiche Wirkung wie eine kleinere Auftreffgeschwindigkeit. Durch die schmale und meist auch gekrümmte Aufprallfläche, die den Tropfen entgegensteht, ist der Aufprallwinkel gunstiger·als.bei einem Auftreffen normal zur Aufprallfläche. Die Tropfen werden zerteilt und in

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Ihrer Geschwindigkeit derart verlangsamt, dass die •Erosionswirkung auf die hinter den Prallkörpern liegenden, gefährdeten Bauteile stark vermindert wird.

Handelt es sich bei diesen Bauteilen bespielsweise um die Laufschaufeln einer Niederdruckturbine, die im Sattdampfgebiet laufen, so können sie durch vorgeschaltete, in den Strömungsweg eingebaute stillstehende Prallkörper, z.B. ein Drahtgeflecht, geschützt werden. Die Wirkung ist aber grosser, wenn die Prallkör- ' per im selben Drehsinn wie die Schaufeln mitrotieren, vorzugsweise mit der selben Drehzahl. Sie können entweder am Rotor oder an den Schaufeln selbst befestigt sein. Da die Schaufeln vor allem gegen die Spitze zu durch Tropfenschlag gefährdet sind, kann es mitunter ausreichend sein, nur ihren radial aussenliegenden Teil zu schützen. Die durch die Fliehkraft hervorgerufene Beanspruchung der Prallkörper wird dadurch stark verringert} trotzdem ist es vorteilhaft, sie radial nach aussen konisch zu verjüngen.

Die Tropfen schlagen nahe dem Staupunkt des Profils auf, es werden daher nur in diesem Bereich die Prallkörper vorgecehen, wenn sie am Rotor oder an den Schaufeln befestigt sind. Auch ist es nicht notwendig, jede Schaufel, für sich zu schützen, da durch vorgebaute Prallkörper gleich fünf oder sechs Schaufeln abgedeckt und. genügend geschützt sind.

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Die Prallkörper können beispielsweise aus kaltgezogenem, rostfreiem Stahl hergestellt sein. Versuche haben gezeigt, dass die Erosionswirkung mit abnehmendem Drahtdurchmesser stark abnimmt. Eine Stär.ke der Prallkörper von 1 mm ist praktisch als obere Grenze anzusehen. Einige Millimeter Abstand der - Prallkörper von den gefährdeten Bauteilen genügen für einen ausreichenden Schutz.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Dampfturbinenschaufel in Ansicht, Fig. 2 einen einzelnen Prallkörper in grösserem Massstab, Fig. 3 einen Flugzeugflügel in Teilansicht.

Nach Fig. 1 ist die Eintrittskante der Turbinenschaufel 1 an ihrem radial aussenliegenden Teil durch Drähte 2 geschützt, die an den Rippen 2, 4 befestigt sind. Sie verlaufen in geringem Abstand von der. Schaufel annähernd parallel zueinander. Wegen der hohen Beanspruchung durch die Fliehkräfte ist eine sorgfältige Befestigung an der Rippe 3 notwendig.

Ein Beispiel dafür ist in Fig. 2 dargestellt.· Sie zeigt einen einzelnen Draht 2 in starker Vergrösserung, wobei vor allein die Dicke stark übertrieben gezeichnet ist. Der nach aussen sich verjüngende Draht ist in der Rippe > eingeschweisst, während er an der Rippe 4 nur durch Punktschweissung befestigt ist, weil dort nur verhältnlsmässig geringe Kräfte aufzunehmen sind. Je nach

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auftretender Beanspruchung kann der Draht auch durch eine Hartlötung oder auf sonstige Weise mit den Rippen verbunden werden.

Statt die Rippe J> vorzusehen, kann das Profil an dieser Stelle zurückgesetzt sein und die Drähte in der ursprünglichen Profillinie verlaufen, womit der nötige Abstand und die erwünschte Nachgiebigkeit hergestellt sind. Ferner können sich die Drähte über die ganze Länge des Schaufelblattes erstrecken und z.B. in einer Bodenplatte gehalten sein, die am Schaufelfuss befestigt ist. Eine weitere, schon erwähnte Möglichkeit besteht dar-in, die Drähte direkt am Rotor, also vor dem Schaufelfuss zu befestigen.

Eine andere Anwendungsmöglichkeit der Prallkörper zeigt dio Fig. J5 Vor der Nase des Flugzeugflügels 5 ist ein Drahtgitter 6 angebracht, das die Beplankung vor auftreffenden Regentropfen schützt.

Weitere Verwendungsmöglichkeiten der Prallkörper sind überall dort denkbar, wo grosse Geschwindigkeiten, vor allem über Mach 1, auftreten und Flüssigkeitstropfen im gasförmigen Medium enthalten sind. Auswechselbarkeit der Prallkörper in den meiste·! Fällen von

1st¹ Vorteil.

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Claims

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Patentansprüche:

/' l.yVerfahren zum Schutz gegen Erosion von Bauteilen, die durch auftreffende Flüssigkeitstropfen hoher Geschwindigkeit gefährdet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen vor dem Auftreffen auf die Bauteile (1,5) zerteilt und dabei abgebremst werden. ...".-

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentan- ^ spruch 1, gekennzeichnet durch Prallkörper (2,6) kleiner Masse, die, in Auftreffrichtung der Tropfen gesehen, vor den gefährdeten Bauteilen (1 bzw. 5) angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, · dass die Prallkörper (2,6) nachgiebig sind.

4. Einrichtung nach Patentanspruch 3* dadurch gekennzeichnet, ^ dass die Prallkörper aus dünnen Drähten (2) bestehen.

5. Einrichtung nach Patentanspruch 3» dadurch gekennzeichnet,' dass die Prallkörper aus dünnen Lamellen bestehen,

6.. Einrichtung nach Patentanspruch 2 für-rotierende Bauteile, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallkörper (2) im selben Drehsinn wie die Bauteile (1) rotieren.

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7. Einrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallkörper (2) mit der selben Drehzahl wie die Bauteile (l) rotieren.

8. Einrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallkörper am Rotor befestigt sind.

9. Einrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, A dass die Prallkörper (2) an den Bauteilen (1),befestigt sind.

10. Einrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallkörper (2) sich in radialer Richtung nach aussen verjüngen.

11. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallkörper (2,6) auswechselbar sind.

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.

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