EP1715140A1 - Turbine blade with a cover plate and a protective layer on the cover plate - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a turbine blade with a cover plate formed on the blade leaf and a steam turbine provided with a number of such turbine blades.
- the turbine blades of steam turbines are often provided with a top plate integrally formed on the airfoil.
- the turbine blades combined in each case into rows of barrels or guide vanes are arranged on the rotor or on the housing of the steam turbine in such a way that the entirety of the cover plates of a row of blades protruding laterally beyond the airfoil forms a circumferential ring, a so-called cover band.
- the cover plates of a blade row associated turbine blades are usually wedged or jammed during installation in such a way that can be dispensed with further fasteners or connecting elements between the individual cover plates.
- the coupling of the turbine blades in the annular shroud effectively suppresses vibrations or distortions of individual turbine blades occurring as a result of high dynamic stress.
- Each of a cover band combined cover plates of a blade row are designed to minimize the secondary flow over the blade tips or the shroud over time caused gap and edge losses.
- the smallest possible gap width between the shroud and the opposite housing or rotor is sought, especially in full load operation of the steam turbine.
- scratching during operation should be avoided as much as possible.
- z. B. when starting or during load changes, but there is a risk comparatively large, caused by different thermal expansion relative changes in length of the involved components, so that in exceptional cases, however, must be expected to tarnish.
- sealing tapes used.
- the rotating and stationary parts approach each other closer than planned, the comparatively thin sealing bands first come into contact with the opposing component, with the surfaces of the two contact partners grinding each other in a usually localized wear region.
- the invention is therefore based on the object to provide a turbine blade of the type mentioned above, which is designed with a high efficiency for a particularly reliable and safe operation. Furthermore, a steam turbine equipped with such turbine blades should be specified.
- the object is achieved according to the invention by applying to the surface of the cover plate facing away from the blade of the turbine blade a protective layer of an alternative material.
- the invention is based on the consideration that a steam turbine to achieve a high efficiency for operation with so-called "high steam parameters" should be designed.
- a loading of the turbine blades should be done with the highest possible temperature steam.
- steam temperatures of over 500 ° C up to about 700 ° C are desired.
- the turbine blades, but also the flow channel for the steam forming housing components should be made of high temperature resistant material.
- the material for producing the respective blade body should meet the highest requirements for mechanical stability and crack resistance at the high operating temperatures designed for this purpose.
- the material should also be relatively easy to process at the same time (eg by casting). Furthermore, in order to avoid flow losses, the respective radial gap between the shroud connecting the blade tips of a blade row and the turbine components (ie the turbine housing in the case of a blade shroud or the rotor in the case of a guide shroud cover) should have the smallest possible width.
- the invention is further based on the consideration that the quality of such emergency running properties is determined by the friction behavior between the respective contact surfaces.
- the quality of such emergency running properties is determined by the friction behavior between the respective contact surfaces.
- the blade body of the turbine blade comprising the airfoil blade and the cover plate, which is particularly heavily loaded, is advantageously made of a one-component workpiece.
- heat-resistant material for the cover plate or the entire blade body for example, steel, in particular steel with 10% to 13% chromium content, could be used.
- a particularly heat and corrosion resistant material which is suitable for steam temperatures of up to 700 ° C is preferably used as a base material for the blade body, a nickel-based alloy or a cobalt-based alloy.
- the protective layer applied to the surface of the respective cover plate is formed by a so-called cobalt-based armor alloy.
- the composition of the alloy is specifically oriented to a high heat resistance and wear resistance and the provision of an advantageous friction behavior in interaction with the respective (potential) friction partner, ie in particular a metallic sealing strip opposite the respective shroud. It is regarded as advantageous in this case if the two contact surfaces in the case of brushing with the removal of relatively small metallic dust particles abrade each other, without resulting in the material transfer or the outbreak of larger portions.
- the microscopically fine grinding dust is simply entrained with the steam flowing through the turbine and transported away from the flow channel.
- the composition of the protective layer forming armor alloy must be matched to the material of the opposing sealing bands.
- Co cobalt
- Ni nickel
- Fe iron
- Cr chromium
- Mn manganese
- carbon C
- Si Silicon
- W tungsten
- Such armor alloys are also known under the registered trademark of the Deloro Stellite Company "Stellite". Particularly preferred in the context of the new concept is the use of the material class "Stellite No. 6".
- the hard alloy used for arming the shroud is applied to the shroud surface by a cladding process applied and thus materially connected to the base material.
- the coating material by applying weld beads in one or more layers with z. B. a gas, arc or inert gas welding applied to the workpiece surface.
- the so-called plasma powder build-up welding or laser beam buildup welding can be used.
- the applied surfacing alloys are added as wire, rod, powder or paste depending on the chosen method. Due to their generally smooth and flat surface, the cover plates or shrouds of turbine blades can be coated particularly well in this way.
- the protective layer thus produced has a significant thickness of preferably about 1 mm or more.
- a comparatively long life of the protective layer is ensured, which in principle survives the complete removal of the opposite sealing tape, without the base material of the cover plates is damaged.
- a hard material layer is provided as a protective layer on the surface of the cover plate facing away from the airfoil.
- materials which are natural for the person skilled in the art and which do not have to be subjected to heat after-treatment for hardening are referred to as natural-hard materials.
- the use of such hard materials has the advantage that the wear of a protective layer produced therefrom is comparatively low even after prolonged use, and that in the case of a contact instead the comparatively softer sealing strip on the cover plate opposite housing or rotor of the steam turbine is processed , So only from time to time the sealing tape must be renewed.
- Hard materials with covalent, ionic or metallic bonding are known.
- a prominent representative of covalently bonded hard materials and the hardest naturally occurring mineral is diamond.
- the hard materials with ionic bond for example, alumina or chromium oxide, but also counted ceramics.
- the coating provided for protecting the respective cover plate or cover band is preferably made of a metallic hard material.
- a metallic hard material With regard to their friction behavior and due to their mechanical and thermal stability, the carbides and nitrides formed by the elements of the transition metals are preferred.
- chromium carbide or titanium nitride or boron nitride is provided.
- the plasma coatings, flame spraying or PVD (Physical Vapor Deposition) generated by preferably also on an industrial scale hard coatings are characterized by a good adhesion to the metallic substrate of the cover plate and high purity and thus by particularly well-defined and unadulterated surface properties.
- the thickness of such hard material thin layers is usually in the micron range.
- the protective layer could each be applied individually to the cover plates of the turbine blades before they are mounted on the rotor or on the housing of the steam turbine.
- a hard material thin film such as by a PVD process or by plasma spraying or the like
- Stellitieren an armor by build-up welding
- an abrasive layer is applied to the hard material layer.
- the metallic sealing tape can first in this abrasive, d. H. incorporate soft layer before it comes into contact with the underlying hard material layer.
- the sealing tape is not damaged on contact with the abrasive layer, but retains its original dimensions and sealing effect.
- the surface contour of the abrasive layer adapts to the overlying or sliding sealing tape (the abrasive layer "gives as needed"), the radial clearance between the rotating and stationary parts of the steam turbine can be kept deliberately small, resulting in a high efficiency contributes.
- the indicated turbine blade is preferably part of a steam turbine. But it could also be used in a gas turbine.
- a number of such turbine blades are combined to form a row of blades, wherein the cover plates of the turbine blades associated with a blade row are each shaped and arranged in relation to one another in such a way that they form a circumferential covering strip coated with a protective layer of an alternative material.
- the coated surface of the associated blade shroud is advantageously opposite a number of circumferentially disposed on the inside of the turbine housing Sealing tapes provided.
- such sealing strips are advantageously arranged opposite the coated surface of the guide blade cover strip on the outside of the turbine shaft.
- such a sealing band comprises a number of ring-shaped bent or formed strips, which are made of a high heat-resistant, cold-workable steel, in particular of a martensitic or austenitic steel or a nickel-based material.
- sealing tapes instead of in a corresponding receiving guts caulked (ie solidified with Stemm material in their seat) or directly inserted (“rolled") sealing tapes also on the shroud opposite turbine component (rotor or housing or a sub-segment thereof) molded or turned-sealing ribs provided be. If necessary, the sealing bands or sealing ribs can also be designed to run in a spiral around the circumference.
- the advantages achieved by the invention are, in particular, that the degrees of freedom obtained by applying a protective layer to the respective cover plate are selectively exploited with regard to choice of material and surface structuring for an advantageous effect on the frictional behavior against a possibly occurring with the cover plate in contact sealing tape.
- the radial games between the rotating and the fixed part of the steam turbine can be made smaller, since there are relatively favorable emergency running properties in contact. As a result, better efficiencies can be realized than by sufficiently large radial clearances or a generous safety distance contact is avoided under all circumstances.
- the relevant for the stability of the annular shroud structure shroud base material is protected by the applied protective or separating layer against friction and / or corrosion-related wear. If the protective layer has sufficient hardness, abrasion phenomena can largely be relocated on one side to the sealing strip, which can be renewed from time to time in a comparatively simple manner.
- FIG. 1 shows a steam turbine 2 with a number of rotatable blades 6 connected to the turbine shaft 4.
- the rotor blades 6 are each arranged in a ring-shaped manner on the turbine shaft 4 and thus form a number of rotor blade rows.
- the steam turbine 2 comprises a number of fixed vanes 8, which are also fixed in a ring shape with the formation of rows of vanes on a turbine housing 10 of the steam turbine 2.
- the limited by the turbine shaft 4 and the turbine housing 10 flow channel 12 of the steam turbine 2 is traversed in a direction parallel to the central axis 14 main flow direction of a vaporous working medium M, the input side heated to a temperature of about 540 ° C and under a high pressure of z , B.
- the guide vanes 8 serve to guide the flow of the working medium M between in each case two rows of rotor blades or rotor blade rings viewed in the flow direction of the working medium M.
- a successive pair of a ring of vanes 8 or a row of vanes and a ring of blades 6 or a blade row is also referred to as a turbine stage.
- FIG. 2 shows a detail of a cross section through the steam turbine 2 that is perpendicular to the central axis 14 and on which a number of turbine blades 16 -in this case a number of rotor blades 6 -can be seen.
- the annularly mounted on the turbine shaft 4 blades 6 have at their head-side, ie radially outward End in each case an integrally formed on the profiled airfoil 18 and laterally projecting cover plate 20.
- the cover plates 20 each two adjacent blades 6 touch each other.
- the cover plates 20 are in fact clamped against one another during assembly of the rotor blades 6 on the turbine shaft 4 such that a closed annular composite, a so-called shroud 22, is formed.
- the radial gap 24 between the circular outer circumference of the shroud 22 and the opposite inside of the turbine housing 10 on the one hand kept as small as possible in order to minimize the gap losses (by the secondary flow of the working medium M on the blade tips or on the shroud 22 away).
- the radial gap 24 is dimensioned so broad that certain fluctuations in the radii or deviations from the circular shape, which usually occur during operation of the steam turbine 2, or which are caused by mechanical influences, do not lead to a rubbing on of the rotating shroud 22.
- the guide vanes 8 of the steam turbine 2 can also have cover plates 20 integrally formed on the respective airfoil 18, which in their entirety form a cover strip 20 assigned to the respective guide blade row, in this case a guide blade cover strip which is analogous (but not closer here) ) is separated from the turbine shaft 4 by a radial gap 24.
- the efficiency of the steam turbine 2 is optimized by the specification of a particularly small radial clearance, which, however, also increases the probability of grazing.
- the turbine blades 16 of the steam turbine 2 are specifically designed to provide favorable emergency running properties. This will be explained with reference to the rotor blade 6 shown by way of example in FIG. 3 in a detailed representation. All relevant considerations can also be easily transferred to the guide vanes 8 of the steam turbine 2.
- the turbine blade 16 schematically illustrated in FIG. 3, which is embodied as a rotor blade 6, has a cover plate 20 formed on the blade 18, the blade body comprising the blade 18 and the cover plate 20 being made of a single-component workpiece to achieve high mechanical stability and temperature resistance made of a nickel-based alloy.
- the cover plate is provided on its side facing away from the blade 18, ie the turbine housing 10 of the steam turbine 2 side facing with a plasma spray applied by means of protective layer 28 made of chromium carbide.
- a sealing band 30 composed of a plurality of ring segments is arranged circumferentially on the inside of the turbine housing 10.
- the sealing strip 30 temporarily comes into contact with one of the cover plates 20 or with the cover strip 22 formed by the entirety of the cover plates 20 of a row of blades, then the base material of the respective cover plate 20 protected by the protective layer 28 from wear. Due to the comparatively high hardness of the protective layer 28 formed from a hard material (here in the exemplary embodiment of chromium carbide), the sealing strip 30 is processed in a targeted and reliable manner in the first place when touching each other, so that it does not penetrate into the actual cover plate 20 or the shroud surface can penetrate.
- a hard material here in the exemplary embodiment of chromium carbide
- the radial gap 24 between the double-coated shroud 22 and the sealing strip 30 opposite it is designed so small that adjusts the configuration shown in FIG 4 during operation of the steam turbine 2, in which the sealing strip 30 already in the abrasive layer 32nd but generally does not contact the underlying hard material protective layer 28.
- the protective layer 28 made of a hard material still protects the shroud 22 in the event of larger fluctuations in the gap distance and thereby ensures acceptable emergency running properties.
- the cover plate 20 or the cover strip 22 formed by all the cover plates 20 of the guide vane row has a gradation adapted to a grading of the opposite turbine shaft 4, so that a labyrinthine angled sub-channel 34 of the flow channel 12 is formed therebetween.
- the sub-channel 34 is sealed by the circumferentially arranged on the turbine shaft 4 sealing strips 30, wherein in each case during the operation of the steam turbine 2 in its width fluctuating radial gap 24 remains.
- the cover plate 20 or cover band 22 made of a highly heat-resistant material is made of an alternative material, as in the previous examples, with a protective layer 28 matched to the sealing strip material with regard to its friction and wear properties overdrawn.
- the protective layer 28 could again be made of a hard material. In the present case, however, it is a layer of stellite applied to each of the steps constituting the steps by build-up welding, originally approximately 1.0 mm thick, but slightly reduced by post-processing.
- a gradation could also be provided in the case of a blade cover strip, or the grading could have a contour that deviates from FIG.
- a plurality of sealing rings or sealing strips 30 spaced apart in the axial direction of the steam turbine 2 could also be combined to form a group of sealing strips 30 which lie opposite the respective shroud 22 and thus realize a multiple sealing.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einer an das Schaufelblatt angeformten Deckplatte sowie eine mit einer Anzahl von derartigen Turbinenschaufeln versehene Dampfturbine.The invention relates to a turbine blade with a cover plate formed on the blade leaf and a steam turbine provided with a number of such turbine blades.
Die Turbinenschaufeln von Dampfturbinen sind häufig mit einer jeweils kopfseitig am Schaufelblatt angeformten Deckplatte versehen. Üblicherweise sind die jeweils zu Lauf- oder Leitschaufelreihen zusammengefassten Turbinenschaufeln derart am Rotor oder am Gehäuse der Dampfturbine angeordnet, dass die Gesamtheit der jeweils seitlich über das Schaufelblatt überstehenden Deckplatten einer Schaufelreihe einen umlaufenden Ring, ein so genanntes Deckband, ausbildet. Dabei werden die Deckplatten der einer Schaufelreihe zugeordneten Turbinenschaufeln beim Einbau in der Regel derart gegeneinander verkeilt oder verklemmt, dass auf weitere Befestigungsmittel oder Verbindungselemente zwischen den einzelnen Deckplatten verzichtet werden kann. Durch die Kopplung der Turbinenschaufeln im ringförmigen Deckband werden in Folge hoher dynamischer Beanspruchung auftretende Vibrationen oder Verwindungen einzelner Turbinenschaufeln wirkungsvoll unterdrückt.The turbine blades of steam turbines are often provided with a top plate integrally formed on the airfoil. Usually, the turbine blades combined in each case into rows of barrels or guide vanes are arranged on the rotor or on the housing of the steam turbine in such a way that the entirety of the cover plates of a row of blades protruding laterally beyond the airfoil forms a circumferential ring, a so-called cover band. In this case, the cover plates of a blade row associated turbine blades are usually wedged or jammed during installation in such a way that can be dispensed with further fasteners or connecting elements between the individual cover plates. The coupling of the turbine blades in the annular shroud effectively suppresses vibrations or distortions of individual turbine blades occurring as a result of high dynamic stress.
Die jeweils zu einem Deckband zusammengefassten Deckplatten einer Schaufelreihe sind für eine Minimierung der durch Sekundärströmung über die Schaufelspitzen bzw. das Deckband hinweg verursachten Spalt- und Randverluste ausgelegt. Dazu ist insbesondere im Volllastbetrieb der Dampfturbine eine möglichst geringe Spaltbreite zwischen dem Deckband und dem ihm gegenüberliegenden Gehäuse oder Rotor angestrebt. Andererseits sollte ein Anstreifen während des Betriebs möglichst vermieden werden. Besonders während instationärer Betriebsvorgänge, also z. B. beim Anfahren oder bei Lastwechseln, besteht jedoch die Gefahr vergleichsweise großer, durch unterschiedliche thermische Ausdehnung verursachter relativer Längenänderungen der beteiligten Bauteile, so dass in Ausnahmefällen doch mit einem Anstreifen gerechnet werden muss. Um die Ausdehnung potentieller Kontaktstellen möglichst klein zu halten und somit auch die im Falle einer Berührung auftretenden Reibungskräfte zu minimieren, kommen am Deckband oder am ihm gegenüberliegenden Gehäuse oder Rotor befestigte, in Umfangsrichtung verlaufende Metallstreifen oder Metallringe, so genannte Dichtbänder, zum Einsatz. Wenn sich rotierender und feststehender Teil näher als geplant aneinander annähern, kommen dabei zuerst die vergleichsweise dünnen Dichtbänder in Kontakt mit dem gegenüberliegenden Bauteil, wobei sich die Oberflächen der beiden Kontaktpartner in einer üblicherweise örtlich begrenzten Verschleißregion gegenseitig abschleifen. Dadurch sind zumindest im Falle einmaligen oder kurzzeitigen Anstreifens ausreichende Notlaufeigenschaften sichergestellt.Each of a cover band combined cover plates of a blade row are designed to minimize the secondary flow over the blade tips or the shroud over time caused gap and edge losses. For this purpose, the smallest possible gap width between the shroud and the opposite housing or rotor is sought, especially in full load operation of the steam turbine. On the other hand, scratching during operation should be avoided as much as possible. Especially during transient operations, so z. B. when starting or during load changes, but there is a risk comparatively large, caused by different thermal expansion relative changes in length of the involved components, so that in exceptional cases, however, must be expected to tarnish. In order to keep the extent of potential contact points as small as possible and thus to minimize the frictional forces occurring in the event of contact, come on the shroud or on the opposite housing or rotor mounted, extending in the circumferential direction of metal strips or metal rings, called sealing tapes used. When the rotating and stationary parts approach each other closer than planned, the comparatively thin sealing bands first come into contact with the opposing component, with the surfaces of the two contact partners grinding each other in a usually localized wear region. As a result, sufficient emergency running properties are ensured at least in the case of single or short-term brushing.
Treten derartige Betriebszustände allerdings häufiger auf, so besteht im Fall, dass die Dichtbänder jeweils an der dem Deckband gegenüberliegenden Turbinenkomponente angebracht sind - also am Gehäuse (im Fall eines Laufschaufeldeckbandes) oder am Rotor (im Fall eines Leitschaufeldeckbandes) -, die Gefahr eines fortgesetzten, die Deckplatten oder das Deckband in seiner Gesamtheit schädigenden Verschleißes. Dabei kann sich das Dichtband unter Umständen tief in das Deckband "hineinfressen", was nach einiger Zeit sogar zu einer fast vollständigen Abtragung des Deckbandes führen kann. Die Stabilität des ursprünglich ringförmig geschlossenen Deckplatten-Verbundes wird durch verschleißbedingte lokale Unterbrechungen erheblich herabgesetzt, was das Auftreten von Schaufelschwingungen begünstigt. Zudem können sich bei fortgesetztem Verschleiß oder allzu großen Schwingungsamplituden makroskopisch große Bruchstücke oder sogar ganze Turbinenschaufeln ablösen, welche dann mit großer Wucht gegen die Turbinenschaufeln oder Gehäuseteile der nachfolgenden Turbinenstufen geschleudert werden. Dies kann im Extremfall zu einer vollständigen Zerstörung der Dampfturbine führen.However, if such operating conditions occur more frequently, then in the case where the sealing tapes are respectively attached to the shroud opposite turbine component - ie the housing (in the case of a blade shroud) or the rotor (in the case of a Leitschaufeldeckbandes) - the risk of continued, the cover plates or the shroud in its entirety damaging wear. Under certain circumstances, the sealing tape can "eat" deep into the shroud, which after some time can even lead to almost complete removal of the shroud. The stability of the originally annular closed cover plate composite is significantly reduced by wear-induced local interruptions, which favors the occurrence of blade vibrations. In addition, with continued wear or excessive vibration amplitudes macroscopically large fragments or even entire turbine blades can replace, which are then thrown with great force against the turbine blades or housing parts of the subsequent turbine stages. In the extreme case, this can lead to complete destruction of the steam turbine.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel der oben genannten Art anzugeben, die bei einem hohen Wirkungsgrad für einen besonders zuverlässigen und sicheren Betrieb ausgelegt ist. Des Weiteren soll eine mit derartigen Turbinenschaufeln ausgestattete Dampfturbine angegeben werden.The invention is therefore based on the object to provide a turbine blade of the type mentioned above, which is designed with a high efficiency for a particularly reliable and safe operation. Furthermore, a steam turbine equipped with such turbine blades should be specified.
Bezüglich der Turbinenschaufel wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem auf die vom Schaufelblatt der Turbinenschaufel abgewandte Oberfläche der Deckplatte eine Schutzschicht aus einem Alternativmaterial aufgebracht ist.With respect to the turbine blade, the object is achieved according to the invention by applying to the surface of the cover plate facing away from the blade of the turbine blade a protective layer of an alternative material.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Dampfturbine zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades für einen Betrieb mit so genannten "hohen Dampfparametern" ausgelegt sein sollte. Insbesondere sollte eine Beaufschlagung der Turbinenschaufeln mit möglichst hoch temperiertem Dampf erfolgen. Dabei werden Dampftemperaturen von über 500 °C bis hin zu etwa 700 °C angestrebt. Dementsprechend sollten die Turbinenschaufeln, aber auch die den Strömungskanal für den Dampf bildenden Gehäusekomponenten aus hochwarmfestem Material gefertigt sein. Im Hinblick auf die vergleichsweise starke mechanische Belastung der Turbinenschaufeln, insbesondere der mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Laufschaufeln, sollte das Material zur Fertigung des jeweiligen Schaufelkörpers bei den auslegungsgemäß vorgesehenen hohen Betriebstemperaturen höchste Anforderungen an mechanische Stabilität und Rissfestigkeit erfüllen. Um die Fertigungskosten für die Turbinenschaufeln möglichst gering zu halten, sollte sich das Material gleichzeitig aber auch relativ einfach verarbeiten lassen (z. B. durch Gießen). Weiterhin sollte zur Vermeidung von Strömungsverlusten der jeweilige Radialspalt zwischen dem die Schaufelspitzen einer Schaufelreihe verbindenden Deckband und den ihm gegenüberliegenden Turbinenkomponenten (also dem Turbinengehäuse im Falle eines Laufschaufeldeckbandes oder dem Rotor im Falle eines Leitschaufeldeckbandes) eine möglichst geringe Breite aufweisen. Da es unter dem Einfluss der auslegungsgemäß vorgesehenen hohen Betriebstemperaturen sowie auf grund evtl. auftretender Abweichungen im Temperaturprofil von einem zur Mittelachse der Dampfturbine symmetrischen Temperaturprofil zu Deformationen des Rotors und/oder des Gehäuses und somit zu Abweichungen der Spaltform von einer perfekten Ringform kommen kann, sollte bei der Auslegung der Dampfturbine in den kritischen Regionen größter Annäherung zumindest ein vorübergehender Kontakt zwischen dem Deckband und dem ihm gegenüberliegenden Rotor oder Gehäuse nicht grundsätzlich ausgeschlossen sein. Vielmehr sollten auch im Falle des Anstreifens zur Vermeidung von katastrophalen Turbinenschäden ausreichende Notlaufeigenschaften sichergestellt sein. Bevorzugterweise sollten derartige Anstreifvorgänge sogar wiederholt im Regelbetrieb der Turbine erlaubt sein, ohne dass dies merkliche Konsequenzen nach sich zieht.The invention is based on the consideration that a steam turbine to achieve a high efficiency for operation with so-called "high steam parameters" should be designed. In particular, a loading of the turbine blades should be done with the highest possible temperature steam. In this case, steam temperatures of over 500 ° C up to about 700 ° C are desired. Accordingly, the turbine blades, but also the flow channel for the steam forming housing components should be made of high temperature resistant material. In view of the comparatively high mechanical loading of the turbine blades, in particular the blades rotating at high speed, the material for producing the respective blade body should meet the highest requirements for mechanical stability and crack resistance at the high operating temperatures designed for this purpose. In order to keep the production costs for the turbine blades as low as possible, the material should also be relatively easy to process at the same time (eg by casting). Furthermore, in order to avoid flow losses, the respective radial gap between the shroud connecting the blade tips of a blade row and the turbine components (ie the turbine housing in the case of a blade shroud or the rotor in the case of a guide shroud cover) should have the smallest possible width. Since it under the influence of the design-provided high operating temperatures as well as on Due to possible deviations in the temperature profile of a symmetrical to the center axis of the steam turbine temperature profile deformation of the rotor and / or the housing and thus deviations of the gap shape can come from a perfect ring shape, should in the design of the steam turbine in the critical regions of the closest approach at least a temporary contact between the shroud and the rotor or housing opposite him not be excluded in principle. Rather, even in the case of brushing to avoid catastrophic turbine damage sufficient emergency running properties should be ensured. Preferably, such squinting should even be allowed repeatedly during regular operation of the turbine, without any significant consequences.
Die Erfindung geht weiterhin von der Überlegung aus, dass die Qualität derartiger Notlaufeigenschaften durch das Reibverhalten zwischen den jeweiligen Kontaktflächen bestimmt ist. Neben den Eigenschaften eines unter Umständen an den Grenzflächen vorhandenen Flüssigkeitsfilms aus kondensierten Dampfpartikeln geht direkt das jeweilige Oberflächenmaterial der beiden Reibpartner in die Reibungseigenschaften ein, wobei nicht nur ein möglichst geringer Reibungskoeffizient angestrebt wird, sondern auch die Art des bei der Reibung auftretenden Verschleißes berücksichtigt werden sollte.The invention is further based on the consideration that the quality of such emergency running properties is determined by the friction behavior between the respective contact surfaces. In addition to the properties of a possibly existing at the interfaces liquid film of condensed vapor particles is directly the respective surface material of the two friction partners in the frictional properties, not only the lowest possible friction coefficient is sought, but also the nature of the friction occurring in the friction should be considered ,
Als besonders schädlich wurde dabei der durch Ausbildung einer örtlichen Grenzflächen-Haftverbindung und anschließendes Aufreißen der Festkörperverbindung hervorgerufene so genannte "Adhäsionsverschleiß" erkannt, der mit Werkstoffausbruch und Werkstoffübertragung auf den die Ausbruchstelle berührenden Reibpartner verbunden ist. Mit anderen Worten: Von einem der Reibpartner abgetragene Mikropartikel sammeln sich auf der Oberfläche des anderen Reibpartners und können dort größere Klumpen ausbilden, die wiederum die Verschleißwirkung erhöhen. Das akkumulierte Material übt dabei aufgrund seiner Keilwirkung Schläge auf die Rotorwelle aus.The so-called "adhesion wear" caused by the formation of a local interface adhesive bond and subsequent tearing of the solid-state compound was recognized as being particularly harmful, which is connected to material break-out and material transfer to the friction partner which contacts the break-out point. In other words, microparticles removed from one of the friction partners collect on the surface of the other friction partner and can form larger lumps there, which in turn increase the wear effect. Due to its wedge effect, the accumulated material exerts blows on the rotor shaft.
Gerade dieser sich selbst verstärkende Mechanismus des Adhäsionsverschleißes, bei dem sich unter Umständen vergleichsweise große Bruchstücke von der Verschleißstelle ablösen, sollte für einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb der Dampfturbine mit einkalkulierten, gelegentlich auftretenden Anstreifvorgängen vermieden sein. Jedoch weisen möglicherweise gerade diejenigen Werkstoffe, deren Einsatz aus Festigkeitsgründen oder aus Gründen der Verarbeitbarkeit für die Fertigung der Turbinenschaufeln und der an diese jeweils angeformten Deckplatten bevorzugt ist, in Relation zu der dem Deckband gegenüberliegenden Oberfläche (in der Regel die Oberfläche eines metallischen Dichtbandes) ein ungünstiges Reibverhalten auf. Durch das Aufbringen einer Schutzschicht aus einem Alternativmaterial auf die Oberfläche der jeweiligen Deckplatte bzw. des Deckbandes werden daher zusätzliche Freiheitsgrade zur gezielten Beeinflussung der Reibpaarung bereitgestellt. Diese äußere Schicht muss nämlich keine tragende Funktion wahrnehmen, sondern kann stattdessen spezifisch auf die Bereitstellung von besonders günstigen Reib- und Verschleißeigenschaften in Relation zum jeweiligen Reibpartner, insbesondere unter Vermeidung von Adhäsionsverschleiß, ausgerichtet sein. In Anbetracht der erzielbaren Vorteile ist dabei ein geringfügig erhöhter Fertigungsaufwand durchaus hinzunehmen.It is precisely this self-reinforcing mechanism of adhesive wear, in which, under certain circumstances, comparatively large fragments detach from the wear point, should be avoided for permanently reliable operation of the steam turbine with occasional brushing actions taken into account. However, it is possible that those materials whose use for reasons of strength or for reasons of processability are preferred for the production of the turbine blades and the cover plates formed on them, may be in relation to the surface opposite the shroud (as a rule the surface of a metallic sealing strip) unfavorable friction behavior. By applying a protective layer of an alternative material on the surface of the respective cover plate or the shroud therefore additional degrees of freedom for selectively influencing the friction pairing are provided. Namely, this outer layer need not perform a supporting function, but instead may be specifically aimed at providing particularly favorable friction and wear properties in relation to the respective friction partner, in particular while avoiding adhesive wear. In view of the achievable advantages is a slightly increased production costs quite acceptable.
Zu Vermeidung möglicher Bruchstellen ist der besonders stark beanspruchte, das Schaufelblatt und die Deckplatte umfassende Schaufelkörper der Turbinenschaufel vorteilhafterweise aus einem einkomponentigen Werkstück gefertigt. Als warmfestes Material für die Deckplatte oder den gesamten Schaufelkörper könnte beispielsweise Stahl, insbesondere Stahl mit 10 % bis 13 % Chromanteil, zum Einsatz kommen. Als besonders hitze- und auch korrosionsbeständiger Werkstoff, der für Dampftemperaturen von bis zu 700 °C geeignet ist, wird als Grundmaterial für den Schaufelkörper jedoch vorzugsweise eine Nickelbasislegierung oder eine Kobaltbasislegierung verwendet.In order to avoid possible breakage points, the blade body of the turbine blade comprising the airfoil blade and the cover plate, which is particularly heavily loaded, is advantageously made of a one-component workpiece. As heat-resistant material for the cover plate or the entire blade body, for example, steel, in particular steel with 10% to 13% chromium content, could be used. As a particularly heat and corrosion resistant material which is suitable for steam temperatures of up to 700 ° C, however, is preferably used as a base material for the blade body, a nickel-based alloy or a cobalt-based alloy.
Vorteilhafterweise ist die auf die Oberfläche der jeweiligen Deckplatte aufgebrachte Schutzschicht durch eine so genannte Panzerlegierung auf Kobalt-Basis gebildet. Die Zusammensetzung der Legierung ist dabei spezifisch auf eine hohe Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit sowie die Bereitstellung eines vorteilhaften Reibverhaltens im Zusammenspiel mit dem jeweiligen (potentiellen) Reibpartner, also insbesondere einem dem jeweiligen Deckband gegenüberliegenden metallischen Dichtband, ausgerichtet. Als vorteilhaft wird dabei angesehen, wenn sich die beiden Kontaktflächen im Falle des Anstreifens unter Ablösung vergleichsweise kleiner metallischer Staubpartikel gegenseitig abschleifen, ohne dass es zur Werkstoffübertragung oder zum Ausbruch größerer Teilstücke kommt. Dabei wird der mikroskopisch feine Schleifstaub einfach mit dem die Turbine durchströmenden Dampf mitgerissen und aus dem Strömungskanal abtransportiert.Advantageously, the protective layer applied to the surface of the respective cover plate is formed by a so-called cobalt-based armor alloy. The composition of the alloy is specifically oriented to a high heat resistance and wear resistance and the provision of an advantageous friction behavior in interaction with the respective (potential) friction partner, ie in particular a metallic sealing strip opposite the respective shroud. It is regarded as advantageous in this case if the two contact surfaces in the case of brushing with the removal of relatively small metallic dust particles abrade each other, without resulting in the material transfer or the outbreak of larger portions. The microscopically fine grinding dust is simply entrained with the steam flowing through the turbine and transported away from the flow channel.
Im konkreten Fall muss die Zusammensetzung der die Schutzschicht bildenden Panzerlegierung auf das Material der gegenüberliegenden Dichtbänder abgestimmt sein. Im Rahmen von Vergleichsversuchen hat sich im Allgemeinen eine Legierung als vorteilhaft erwiesen, die neben Kobalt (chemisches Symbol: Co) auch Anteile an Nickel (Ni), Eisen (Fe), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Kohlenstoff (C), Silizium (Si) und Wolfram (W) enthält. Besonders vorteilhaft ist folgende Zusammensetzung (Angaben in Gewichtsprozent):
Derartige Panzerlegierungen sind auch unter dem von der Deloro Stellite Company eingetragenen Warenzeichen "Stellite" geläufig. Besonders bevorzugt im Rahmen des neuen Konzepts ist die Verwendung der Materialklasse "Stellit Nr. 6".Such armor alloys are also known under the registered trademark of the Deloro Stellite Company "Stellite". Particularly preferred in the context of the new concept is the use of the material class "Stellite No. 6".
Vorzugsweise ist die zur Panzerung des Deckbandes eingesetzte Hartlegierung durch ein Auftragschweißverfahren auf die Deckbandoberfläche aufgebracht und somit stoffschlüssig mit dem Grundmaterial verbunden. Dabei wird das Beschichtungsmaterial durch Auftragen von Schweißraupen in einer oder in mehreren Lagen mit z. B. einem Gas-, Lichtbogen- oder Schutzgasschweißverfahren auf die Werkstückoberfläche aufgebracht. Auch das so genannte Plasma-Pulver-Auftragschweißen oder das Laserstrahl-Auftragschweißen können zum Einsatz kommen. Die eingesetzten Auftragschweißlegierungen werden je nach gewähltem Verfahren als Draht, Stab, Pulver oder Paste zugegeben. Aufgrund ihrer in der Regel glatten und flachen Oberfläche können die Deckplatten bzw. die Deckbänder von Turbinenschaufeln besonders gut auf diese Weise beschichtet werden.Preferably, the hard alloy used for arming the shroud is applied to the shroud surface by a cladding process applied and thus materially connected to the base material. In this case, the coating material by applying weld beads in one or more layers with z. B. a gas, arc or inert gas welding applied to the workpiece surface. Also, the so-called plasma powder build-up welding or laser beam buildup welding can be used. The applied surfacing alloys are added as wire, rod, powder or paste depending on the chosen method. Due to their generally smooth and flat surface, the cover plates or shrouds of turbine blades can be coated particularly well in this way.
Im Gegensatz zu mit denkbaren alternativen Beschichtungsverfahren, wie z. B. Bedampfen, Oberflächenhärten, Nitrieren oder Borieren erzeugbaren Oberflächenbeschichtungen im µm-Bereich, weist die derart erzeugte Schutzschicht eine signifikante Dicke von vorzugsweise ungefähr 1 mm oder mehr auf. Somit ist eine vergleichsweise lange Lebensdauer der Schutzschicht sichergestellt, wobei diese prinzipiell den kompletten Abtrag des ihr gegenüberliegenden Dichtbandes überlebt, ohne dass das Grundmaterial der Deckplatten beschädigt wird.In contrast to conceivable alternative coating methods, such. As vapor deposition, surface hardening, nitriding or boron-forming surface coatings in the micron range, the protective layer thus produced has a significant thickness of preferably about 1 mm or more. Thus, a comparatively long life of the protective layer is ensured, which in principle survives the complete removal of the opposite sealing tape, without the base material of the cover plates is damaged.
In einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung ist als Schutzschicht auf der vom Schaufelblatt abgewandten Oberfläche der Deckplatte eine Hartstoffschicht vorgesehen. Als Hartstoffe werden in für den Fachmann einschlägiger Weise naturharte Werkstoffe, die keiner Wärmenachbehandlung zum Härten unterzogen werden müssen, bezeichnet. Die Verwendung derartiger Hartstoffe besitzt den Vorteil, dass der Verschleiß einer daraus hergestellten Schutzschicht auch nach einem längeren Einsatz vergleichsweise gering ist, und dass statt dessen im Falle eines Kontaktes gezielt das im Vergleich dazu weichere Dichtband am der Deckplatte gegenüberliegenden Gehäuse oder Rotor der Dampfturbine abgearbeitet wird. So muss lediglich von Zeit zu Zeit das Dichtband erneuert werden.In a preferred alternative embodiment, a hard material layer is provided as a protective layer on the surface of the cover plate facing away from the airfoil. As hard materials, materials which are natural for the person skilled in the art and which do not have to be subjected to heat after-treatment for hardening are referred to as natural-hard materials. The use of such hard materials has the advantage that the wear of a protective layer produced therefrom is comparatively low even after prolonged use, and that in the case of a contact instead the comparatively softer sealing strip on the cover plate opposite housing or rotor of the steam turbine is processed , So only from time to time the sealing tape must be renewed.
Es sind Hartstoffe mit kovalenter, mit ionischer oder mit metallischer Bindung bekannt. Ein prominenter Vertreter der Hartstoffe mit kovalenter Bindung und zugleich das härteste natürlich vorkommende Mineral ist der Diamant. Zu den Hartstoffen mit ionischer Bindung werden beispielsweise Aluminiumoxid oder Chromoxid, aber auch Keramik gezählt.Hard materials with covalent, ionic or metallic bonding are known. A prominent representative of covalently bonded hard materials and the hardest naturally occurring mineral is diamond. Among the hard materials with ionic bond, for example, alumina or chromium oxide, but also counted ceramics.
Die zum Schutz der jeweiligen Deckplatte bzw. des Deckbandes vorgesehene Beschichtung ist vorzugsweise aus einem metallischen Hartstoff hergestellt. Bevorzugt sind dabei bzgl. ihres Reibverhaltens sowie aufgrund ihrer mechanischen und thermischen Stabilität die von den Elementen der Übergangsmetalle gebildeten Karbide und Nitride. Als besonders bevorzugter Hartstoff ist Chromkarbid oder Titannitrid oder Bornitrid vorgesehen.The coating provided for protecting the respective cover plate or cover band is preferably made of a metallic hard material. With regard to their friction behavior and due to their mechanical and thermal stability, the carbides and nitrides formed by the elements of the transition metals are preferred. As a particularly preferred hard material chromium carbide or titanium nitride or boron nitride is provided.
Die vorzugsweise durch auch im industriellen Maßstab besonders effektiv zu handhabendes Plasmaspritzen, Flammspritzen oder durch ein PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) erzeugten Hartstoffschichten zeichnen sich durch eine gute Haftfestigkeit auf dem metallischen Untergrund der Deckplatte sowie durch hohe Reinheit und damit durch besonders klar definierte und unverfälschte Oberflächeneigenschaften aus. Die Dicke derartiger Hartstoff-Dünnschichten liegt üblicherweise im µm-Bereich.The plasma coatings, flame spraying or PVD (Physical Vapor Deposition) generated by preferably also on an industrial scale hard coatings are characterized by a good adhesion to the metallic substrate of the cover plate and high purity and thus by particularly well-defined and unadulterated surface properties. The thickness of such hard material thin layers is usually in the micron range.
Die Schutzschicht könnte jeweils einzeln auf die Deckplatten der Turbinenschaufeln aufgebracht werden, bevor deren Montage am Rotor oder am Gehäuse der Dampfturbine erfolgt. Beim Aufbringen einer Hartstoff-Dünnschicht (etwa durch ein PVD-Verfahren oder durch Plasmaspritzen oder dergleichen), insbesondere aber auch bei einer Panzerung durch Auftragschweißen ("Stellitieren") ist es jedoch besonders vorteilhaft, das aus den Deckplatten der bereits montierten Turbinenschaufeln gebildete und auf Kreisform gedrehte Deckband insgesamt einer Beschichtung zu unterziehen. Die zum Aufbringen der Schutzschicht notwendigen Fertigungsschritte (die eine Vor- und Nachbehandlung beinhalten können) werden also jeweils auf einen eine Mehrzahl von Deckplatten umfassenden Abschnitt des Deckbandes angewandt. Im montierten Zustand sind nämlich für das Auftragschweißen nur vergleichsweise wenige lange Schweißraupen über den Umfang des Deckbandes zu ziehen, im Gegensatz zu hunderten von kurzen Schweißraupen bei den einzelnen Schaufeln. Die nunmehr vorgesehene Methode ist in prozesstechnischer Hinsicht schneller und sicherer und liefert wegen der geringeren Zahl von An- und Absetzstellen bessere Qualität. Sie ist auch in besonderer Weise für eine Reparatur oder Ertüchtigung eines verschlissenen oder noch nicht beschichteten alten Deckbandes geeignet.The protective layer could each be applied individually to the cover plates of the turbine blades before they are mounted on the rotor or on the housing of the steam turbine. When applying a hard material thin film (such as by a PVD process or by plasma spraying or the like), but especially in an armor by build-up welding ("Stellitieren"), it is particularly advantageous that formed from the cover plates of the already assembled turbine blades and on Circular turned cover band to undergo a total of coating. The necessary to apply the protective layer manufacturing steps (which may include a pre- and post-treatment) are so each on a a plurality of cover plates comprehensive section of the shroud applied. In the mounted state, only comparatively few long weld beads are to be drawn over the circumference of the shroud, as opposed to hundreds of short weld beads in the individual blades for surfacing. The method now provided is faster and safer in process engineering terms and provides better quality due to the lower number of settling and settling points. It is also particularly suitable for repairing or upgrading a worn or uncoated old shroud.
Vorteilhafterweise ist auf die Hartstoffschicht eine abrasive Schicht aufgebracht. Beim gegenseitigen Kontakt kann sich das metallische Dichtband zuerst in diese abrasive, d. h. weiche Schicht einarbeiten, bevor es mit der darunterliegenden Hartstoffschicht in Berührung kommt. Das Dichtband wird beim Kontakt mit der abrasiven Schicht nicht beschädigt, sondern behält seine ursprünglichen Abmessungen und Dichtwirkung. Mit anderen Worten: Da sich die Oberflächenkontur der abrasiven Schicht an das darüberliegende oder hinweggleitende Dichtband anpasst (die abrasive Schicht "gibt bei Bedarf nach"), kann das Radialspiel zwischen dem rotierenden und dem feststehenen Teil der Dampfturbine bewusst klein gehalten werden, was zu einem hohen Wirkungsgrad beiträgt.Advantageously, an abrasive layer is applied to the hard material layer. In mutual contact, the metallic sealing tape can first in this abrasive, d. H. incorporate soft layer before it comes into contact with the underlying hard material layer. The sealing tape is not damaged on contact with the abrasive layer, but retains its original dimensions and sealing effect. In other words, since the surface contour of the abrasive layer adapts to the overlying or sliding sealing tape (the abrasive layer "gives as needed"), the radial clearance between the rotating and stationary parts of the steam turbine can be kept deliberately small, resulting in a high efficiency contributes.
Die angegebene Turbinenschaufel ist vorzugsweise Bestandteil einer Dampfturbine. Sie könnte aber auch in einer Gasturbine zum Einsatz kommen. Dabei ist jeweils eine Anzahl derartiger Turbinenschaufeln zu einer Schaufelreihe zusammengefasst, wobei die Deckplatten der einer Schaufelreihe zugeordneten Turbinenschaufeln jeweils derart geformt und in Relation zueinander angeordnet sind, dass sie ein umlaufendes, mit einer Schutzschicht aus einem Alternativmaterial überzogenes Deckband ausbilden. Im Fall einer Laufschaufelreihe ist der beschichteten Oberfläche des zugeordneten Laufschaufeldeckbandes gegenüberliegend vorteilhafterweise eine Anzahl von umfänglich an der Innenseite des Turbinengehäuses angeordneten Dichtbändern vorgesehen. Im Falle einer Leitschaufelreihe sind derartige Dichtbänder vorteilhafterweise der beschichteten Oberfläche des Leitschaufeldeckbandes gegenüberliegend an der Außenseite der Turbinenwelle angeordnet.The indicated turbine blade is preferably part of a steam turbine. But it could also be used in a gas turbine. In each case, a number of such turbine blades are combined to form a row of blades, wherein the cover plates of the turbine blades associated with a blade row are each shaped and arranged in relation to one another in such a way that they form a circumferential covering strip coated with a protective layer of an alternative material. In the case of a blade row, the coated surface of the associated blade shroud is advantageously opposite a number of circumferentially disposed on the inside of the turbine housing Sealing tapes provided. In the case of a guide blade row, such sealing strips are advantageously arranged opposite the coated surface of the guide blade cover strip on the outside of the turbine shaft.
Vorzugsweise umfasst ein derartiges Dichtband eine Anzahl von ringabschnittsförmig gebogenen oder geformten Streifen, welche aus einem hoch-warmfesten, kaltverformbaren Stahl, insbesondere aus einem martensitischen oder austenitischen Stahl oder einem Nickel-Basismaterial, hergestellt sind. In der folgenden Tabelle sind einige geeignete Beispiele mit ihren chemischen Bezeichnungen, ihren Handelsnamen (soweit vorhanden) und ihren internationalen Werkstoffnummern aufgeführt:
Anstelle von in eine korrespondierende Aufnahmenut eingestemmten (d. h. mit Stemm-Material in ihrem Sitz verfestigten) oder direkt eingelegten ("eingerollten") Dichtbändern können auch an die dem Deckband gegenüberliegende Turbinenkomponente (Rotor oder Gehäuse bzw. ein Teilsegment davon) angeformte oder angedrehte Dichtrippen vorgesehen sein. Die Dichtbänder oder Dichtrippen können ggf. auch spiralförmig umlaufend ausgeführt sein.Instead of in a corresponding receiving guts caulked (ie solidified with Stemm material in their seat) or directly inserted ("rolled") sealing tapes also on the shroud opposite turbine component (rotor or housing or a sub-segment thereof) molded or turned-sealing ribs provided be. If necessary, the sealing bands or sealing ribs can also be designed to run in a spiral around the circumference.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die durch das Aufbringen einer Schutzschicht auf die jeweilige Deckplatte gewonnenen Freiheitsgrade hinsichtlich Materialwahl und Oberflächenstrukturierung gezielt für eine vorteilhafte Beeinflussung des Reibverhaltens gegenüber einem möglicherweise mit der Deckplatte in Kontakt tretenden Dichtband ausgenutzt werden. Die Radialspiele zwischen dem rotierenden und dem feststehenden Teil der Dampfturbine können geringer ausgeführt werden, da bei Kontakt vergleichsweise günstige Notlaufeigenschaften bestehen. Dadurch lassen sich bessere Wirkungsgrade realisieren, als wenn durch hinreichend große Radialspiele bzw. einen großzügig ausgelegten Sicherheitsabstand ein Kontakt unter allen Umständen vermieden wird. Das für die Stabilität der ringförmigen Deckbandstruktur maßgebliche Deckbandgrundmaterial ist durch die aufgebrachte Schutz- bzw. Trennschicht vor reibungs- und/oder korrosionsbedingtem Verschleiß geschützt. Sofern die Schutzschicht eine ausreichende Härte aufweist, lassen sich Abriebserscheinungen weitestgehend einseitig auf das Dichtband verlagern, welches sich von Zeit zu Zeit auf vergleichsweise einfache Art und Weise erneuern lässt.The advantages achieved by the invention are, in particular, that the degrees of freedom obtained by applying a protective layer to the respective cover plate are selectively exploited with regard to choice of material and surface structuring for an advantageous effect on the frictional behavior against a possibly occurring with the cover plate in contact sealing tape. The radial games between the rotating and the fixed part of the steam turbine can be made smaller, since there are relatively favorable emergency running properties in contact. As a result, better efficiencies can be realized than by sufficiently large radial clearances or a generous safety distance contact is avoided under all circumstances. The relevant for the stability of the annular shroud structure shroud base material is protected by the applied protective or separating layer against friction and / or corrosion-related wear. If the protective layer has sufficient hardness, abrasion phenomena can largely be relocated on one side to the sealing strip, which can be renewed from time to time in a comparatively simple manner.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- eine schematische Darstellung einer Dampfturbine im Längsschnitt (Ausschnitt),
- FIG 2
- einen Querschnitt durch eine Dampfturbine gemäß FIG 1 mit einer Mehrzahl von zu einer Schaufelreihe zusammengefassten Turbinenschaufeln, wobei die Deckplatten der einzelnen Turbinenschaufeln zu einem umlaufenden Deckband zusammengeführt sind,
- FIG 3
- eine Detaildarstellung einer mit einer Deckplatte versehenen Turbinenschaufel in einer Dampfturbine nach FIG 1, wobei auf die Deckplatte eine Schutzschicht aus einem Alternativmaterial aufgebracht ist,
- FIG 4
- eine Turbinenschaufel mit einer eine Schutzschicht aufweisenden Deckplatte in einer alternativen Ausführungsform, und
- FIG 5
- eine Turbinenschaufel mit einer eine Schutzschicht aufweisenden Deckplatte in einer weiteren alternativen Ausführungsform.
- FIG. 1
- a schematic representation of a steam turbine in longitudinal section (detail),
- FIG. 2
- 1 with a plurality of turbine blades combined into a row of blades, the cover plates of the individual turbine blades being brought together to form a circumferential shroud,
- FIG. 3
- 1 a detailed view of a turbine blade provided with a cover plate in a steam turbine according to FIG. 1, wherein a protective layer of an alternative material is applied to the cover plate,
- FIG. 4
- a turbine blade with a protective layer having a cover plate in an alternative embodiment, and
- FIG. 5
- a turbine blade with a protective layer having a cover plate in a further alternative embodiment.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference numerals in all figures.
FIG 1 zeigt eine Dampfturbine 2 mit einer Anzahl von mit der Turbinenwelle 4 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 6. Die Laufschaufeln 6 sind jeweils kranzförmig an der Turbinenwelle 4 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Dampfturbine 2 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 8, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Turbinengehäuse 10 der Dampfturbine 2 befestigt sind. Der von der Turbinenwelle 4 und dem Turbinengehäuse 10 begrenzte Strömungskanal 12 der Dampfturbine 2 wird in einer parallel zur Mittelachse 14 verlaufenden Hauptströmungsrichtung von einem dampfförmigen Arbeitsmedium M durchströmt, wobei der eingangsseitig auf eine Temperatur von über 540 °C erhitzte und unter einem hohen Druck von z. B. 250 bar stehende Dampf sich arbeitsleistend entspannt und dabei durch Impulsübertragung auf die Laufschaufeln 6 die Turbinenwelle 4 antreibt. Die Leitschaufeln 8 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar von einem Kranz von Leitschaufeln 8 oder einer Leitschaufelreihe und von einem Kranz von Laufschaufeln 6 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.FIG. 1 shows a steam turbine 2 with a number of
FIG 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem senkrecht zur Mittelachse 14 verlaufenden Querschnitt durch die Dampfturbine 2, auf der eine Anzahl von Turbinenschaufeln 16 - in diesem Fall eine Anzahl von Laufschaufeln 6 - erkennbar ist. Die kranzförmig an der Turbinenwelle 4 befestigten Laufschaufeln 6 weisen an ihrem kopfseitigen, d. h. radial nach außen gerichteten Ende jeweils eine an das profilierte Schaufelblatt 18 angeformte und seitlich überstehende Deckplatte 20 auf. Die Deckplatten 20 je zweier benachbarter Laufschaufeln 6 berühren sich gegenseitig. Die Deckplatten 20 werden nämlich bei der Montage der Laufschaufeln 6 an der Turbinenwelle 4 derart gegeneinander verspannt, dass sich ein geschlossener ringförmiger Verbund, ein so genanntes Deckband 22, ausbildet. Dadurch werden Verwindungen der einzelnen Schaufelblätter 18 oder Schwingungen der Schaufelspitzen wirkungsvoll unterdrückt. In aerodynamischer Hinsicht ist zwar ein Anliegen benachbarter Deckplatten über ihre gesamte axiale Erstreckung (in Richtung der Turbinenachse) wünschenswert, jedoch aus konstruktiven Gründen nicht immer zu verwirklichen. Eine "Linienberührung" während des Betriebs, bei der das Band also nur an einer Stelle in axialer Erstreckungsrichtung geschlossen ist (so wie in FIG 2 gezeigt), ist in der Praxis durchaus ausreichend.FIG. 2 shows a detail of a cross section through the steam turbine 2 that is perpendicular to the
Der Radialspalt 24 zwischen dem kreisförmigen äußeren Umfang des Deckbandes 22 und der ihm gegenüberliegenden Innenseite des Turbinengehäuses 10 ist einerseits möglichst klein gehalten, um die Spaltverluste (durch die Sekundärströmung des Arbeitsmediums M über die Schaufelspitzen bzw. über das Deckband 22 hinweg) zu minimieren. Andererseits ist der Radialspalt 24 so breit dimensioniert, dass gewisse, üblicherweise während des Betriebs der Dampfturbine 2 auftretende erwärmungsbedingte oder durch mechanische Einflüsse hervorgerufene Fluktuationen der Radien oder Abweichungen von der Kreisform nicht zu einem Anstreifen des rotierenden Deckbandes 22 führen.The
Neben den Laufschaufeln 6 können auch die Leitschaufeln 8 der Dampfturbine 2 am jeweiligen Schaufelblatt 18 angeformte Deckplatten 20 aufweisen, die in ihrer Gesamtheit ein der jeweiligen Leitschaufelreihe zugeordnetes Deckband 20, in diesem Fall also ein Leitschaufeldeckband, ausbilden, welches in analoger (aber hier nicht näher dargestellter) Weise durch einen Radialspalt 24 von der Turbinenwelle 4 beabstandet ist.In addition to the
Der Wirkungsgrad der Dampfturbine 2 ist durch die Vorgabe eines besonders kleinen Radialspiels optimiert, wodurch allerdings auch die Wahrscheinlichkeit von Anstreifvorgängen ansteigt. Um dennoch eine hohe Betriebssicherheit gewährleisten zu können, sind die Turbinenschaufeln 16 der Dampfturbine 2 spezifisch auf die Bereitstellung günstiger Notlaufeigenschaften ausgerichtet. Dies wird anhand der in FIG 3 in einer Detaildarstellung exemplarisch dargestellten Laufschaufel 6 erläutert. Alle diesbezüglichen Überlegungen lassen sich aber auch problemlos auf die Leitschaufeln 8 der Dampfturbine 2 übertragen.The efficiency of the steam turbine 2 is optimized by the specification of a particularly small radial clearance, which, however, also increases the probability of grazing. In order nevertheless to be able to ensure high operational reliability, the
Die in FIG 3 schematisch dargestellte Turbinenschaufel 16, die als Laufschaufel 6 ausgeführt ist, weist eine an das Schaufelblatt 18 angeformte Deckplatte 20 auf, wobei der das Schaufelblatt 18 und die Deckplatte 20 umfassende Schaufelkörper zur Erreichung hoher mechanischer Stabilität und Temperaturbeständigkeit aus einem einkomponentigen Werkstück aus einer Nickelbasislegierung gefertigt ist. Die Deckplatte ist auf ihrer vom Schaufelblatt 18 abgewandten, sprich dem Turbinengehäuse 10 der Dampfturbine 2 zugewandten Seite mit einer durch Plasmaspritzen aufgebrachten Schutzschicht 28 aus Chromkarbid versehen. Der Schutzschicht 28 gegenüberliegend und durch einen Radialspalt 24 von dieser beabstandet ist ein aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetztes Dichtband 30 umfänglich an der Innenseite des Turbinengehäuses 10 angeordnet. Sollte das Dichtband 30 in Folge thermischer Ausdehnungsvorgänge innerhalb der Dampfturbine 2 vorübergehend an einer Stelle seines Umfangs mit einer der Deckplatten 20 bzw. mit dem von der Gesamtheit der Deckplatten 20 einer Schaufelreihe gebildeten Deckband 22 in Kontakt treten, so ist das Grundmaterial der jeweiligen Deckplatte 20 durch die Schutzschicht 28 vor Verschleiß geschützt. Durch die vergleichsweise große Härte der aus einem Hartstoff (hier im Ausführungsbeispiel Chromkarbid) gebildeten Schutzschicht 28 wird bei gegenseitiger Berührung gezielt und sicher in erster Linie das Dichtband 30 abgearbeitet, so dass dieses nicht in die eigentliche Deckplatte 20 bzw. die Deckbandoberfläche eindringen kann.The
Die Turbinenschaufel 16 aus FIG 4, die als Laufschaufel 6 oder als Leitschaufel 8 ausgeführt sein kann, ist ähnlich aufgebaut wie die aus FIG 3 bekannte Turbinenschaufel, wobei allerdings auf die Schutzschicht 28 eine zusätzliche abrasive Schicht 32 aufgebracht ist. Der Radialspalt 24 zwischen dem zweifach beschichteten Deckband 22 und dem ihm gegenüberliegenden Dichtband 30 ist dabei so gering ausgelegt, dass sich während des Betriebs der Dampfturbine 2 die in FIG 4 gezeigte Konfiguration einstellt, bei der sich das Dichtband 30 zwar bereits in die abrasive Schicht 32 eingeschliffen hat, jedoch im Allgemeinen nicht mit der darunter liegenden Hartstoff-Schutzschicht 28 in Kontakt tritt. Dadurch wird einerseits eine besonders gute Abdichtung des Strömungskanals 12 erreicht, wobei andererseits durch die günstig gewählten Eigenschaften der abrasiven Schicht 32 keine nennenswerten Reibungsverluste auftreten. Die aus einem Hartstoff gefertigte Schutzschicht 28 schützt das Deckband 22 nach wie vor im Fall größerer Fluktuationen des Spaltabstandes und stellt dabei akzeptable Notlaufeigenschaften sicher.The
Bei der in FIG 5 dargestellten Leitschaufel 8 weist die Deckplatte 20 bzw. das von allen Deckplatten 20 der Leitschaufelreihe gebildete Deckband 22 eine an eine Stufung der gegenüberliegenden Turbinenwelle 4 angepasste Stufung auf, so dass sich dazwischen ein labyrinthisch gewinkelter Teilkanal 34 des Strömungskanals 12 ausbildet. Der Teilkanal 34 wird durch die umfänglich an der Turbinenwelle 4 angeordneten Dichtbänder 30 abgedichtet, wobei jeweils ein während des Betriebs der Dampfturbine 2 in seiner Breite fluktuierender Radialspalt 24 verbleibt. Um im Falle eines Anstreifens besonders günstige Notlaufeigenschaften bereitzustellen, ist die aus einem hochwarmfesten Material gefertigte Deckplatte 20 bzw. das Deckband 22 wie in den vorigen Beispielen mit einer hinsichtlich ihrer Reibungs- und Verschleißeigenschaften auf das Dichtbandmaterial abgestimmten Schutzschicht 28 aus einem Alternativmaterial überzogen. Die Schutzschicht 28 könnte wieder aus einem Hartstoff hergestellt sein. Im vorliegenden Fall handelt es sich jedoch um eine auf jede der die Stufen bildenden Teilflächen durch Auftragschweißen aufgebrachte Stellitschicht mit einer Dicke von ursprünglich ungefähr 1,0 mm, die jedoch durch Nachbearbeitung geringfügig abgenommen hat.In the
Es versteht sich für den Fachmann, dass die anhand der Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele in vielfältiger Weise abgewandelt werden können, ohne dabei das für die Erfindung wesentliche Konzept aufzugeben. So könnte beispielsweise eine Stufung auch bei einem Laufschaufeldeckband vorgesehen sein, oder die Stufung könnte eine von FIG 5 abweichende Kontur aufweisen. Schließlich könnten auch mehrere in axialer Richtung der Dampfturbine 2 beabstandete Dichtringe oder Dichtbänder 30 zu einer Gruppe von Dichtbändern 30 zusammengefasst sein, die dem jeweiligen Deckband 22 gegenüberliegen und somit eine mehrfache Abdichtung realisieren.It is understood by those skilled in the art that the embodiments illustrated with reference to the figures can be modified in many ways, without abandoning the concept essential for the invention. For example, a gradation could also be provided in the case of a blade cover strip, or the grading could have a contour that deviates from FIG. Finally, a plurality of sealing rings or sealing
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