EP1788197A1

EP1788197A1 - Turbinenschaufel für eine Dampfturbine

Info

Publication number: EP1788197A1
Application number: EP05025359A
Authority: EP
Inventors: Detlef Dr. Haje
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2007-05-23
Also published as: CN101313129B; JP2009516798A; BRPI0618860A2; RU2418956C2; CN101313129A; PL1951991T3; EP1951991B1; US20100014982A1; DE502006006279D1; RU2008125060A; ATE458900T1; WO2007057294A1; ES2338369T3; JP4772873B2; EP1951991A1

Abstract

Eine Turbinenschaufel (10, 110, 210) für eine Dampfturbine mit einem Schaufelblattabschnitt (12) sowie einem Fußabschnitt (14, 43, 52) ist erfindungsgemäß insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelblattabschnitt (12) zur Verwendung in einer Niederdruckstufe der Dampfturbine gestaltet ist und zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoffe enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Dampfturbine mit einem Schaufelblattabschnitt sowie einem Fußabschnitt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Dampfturbine mit einer derartigen Turbinenschaufel.
Derartige Turbinenschaufeln, insbesondere als Laufschaufeln ausgebildete Turbinenschaufeln dieser Art werden im Stand der Technik aus Stahl oder Titan gefertigt. Turbinenschaufeln im Allgemeinen und insbesondere Endstufenschaufeln sind funktionsbedingt hohen Fliehkraftbeanspruchungen ausgesetzt, da sie zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades eine möglichst hohe Abströmfläche darstellen sollen und damit eine große Schaufellänge besitzen müssen. Für übliche Anwendungen kommen daher hochfeste Stähle zur Anwendung. Wo diese aus Gründen der Fliehkraftspannungen nicht mehr einsetzbar sind, werden Titanschaufeln verwendet, die aufgrund der geringeren Dichte auch geringere Fliehkraftspannungen erfahren. Allerdings sind diese Schaufeln wesentlich kostenintensiver als Stahlschaufeln. Jedoch sind auch bei Titanschaufeln die Abströmflächen für volltourige Maschinen (50 Hz) auf ca. 16 m² begrenzt, was entsprechende Konsequenzen für die erreichbaren Schaufellängen nach sich zieht.
Aufgrund der praktischen Begrenzung hinsichtlich der Schaufellänge wird im Stand der Technik bei Niederdruckstufen von Dampfturbinen oftmals die Anzahl der Niederdruckfluten erhöht. Dies kann etwa durch einen Umstieg von einflutigen auf zweiflutige Turbinenstufen oder durch einen Einsatz mehrerer Niederdruckteilturbinen geschehen. Auch kann die Drehzahl des Turbosatzes verringert werden. In diesem Fall können dann größere Abströmflächen genutzt werden. Alle diese Maßnahmen sind jedoch mit zum Teil erheblichen Kosten verbunden.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Dampfturbine mit einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art vorzusehen, die einen besonders hohen Wirkungsgrad der Dampfturbine ermöglicht und gleichzeitig betriebssicher in der Dampfturbine betrieben werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel gelöst, bei welcher der Schaufelblattabschnitt zur Verwendung in einer Niederdruckstufe der Dampfturbine gestaltet ist und zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff enthält. Die Aufgabe ist ferner erfindungsgemäß mit einer Dampfturbine gelöst, die eine derartige erfindungsgemäße Turbinenschaufel aufweist.
Erfindungsgemäß werden also Faserverbundschaufeln als Niederdruckstufen- bzw. Endstufenschaufeln eingesetzt. Im Vergleich der bezogenen Festigkeiten verschiedener Werkstoffe zeigt sich klar der Vorteil von Faserverbundwerkstoffen für eine Anwendung als Endstufenschaufelwerkstoff. So beträgt die Festigkeit über der Dichte (R_p0,2/ρ) für hochfesten Vergütungsstahl 115 m²/s², für Titan 221 m²/s², für den faserverstärkten Werkstoff CFK-HM hingegen 563 m²/s². Aufgrund der wesentlich höheren Festigkeit des Faserverbundwerkstoffes können entweder mit herkömmlichen Abmessungen gefertigte Turbinenschaufeln höher ausgelastet werden oder die Turbinenschaufeln mit einer größeren Länge hergestellt werden. Die dabei auftretenden Fliehkraftspannungen können aufgrund des wesentlich erhöhten Festigkeit/Dichte-Verhältnisses dann ohne Einbußen in der Betriebssicherheit ohne weiteres von der Turbinenschaufel aufgenommen werden.
Durch das große Festigkeit/Dichte-Verhältnis einer erfindungsgemäß Faserverbundwerkstoff enthaltenden Turbinenschaufel kann aufgrund der Auslegung des Schaufelblattabschnitts zur Verwendung in einer Niederdruckstufe der Dampfturbine trotz der hohen Fliehkraftbeanspruchungen eine stark vergrößerte Abströmfläche vorgesehen werden. Dies kann insbesondere durch Vorsehen einer besonders großen Schaufellänge geschehen. Damit kann der Wirkungsgrad der Dampfturbine erheblich gesteigert werden.
Im Bereich der Industrieturbinen kann beispielsweise durch Zulassen eines höheren Gegendrucks der Endstufen (Luftkondensation), durch eine höhere zulässige Drehzahl von Antriebsturbinen, oder durch die Vergrößerung der Endstufenschaufeln für drehzahlvariable Antriebe durch die erfindungsgemäße Verwendung des Faserverbundwerkstoffes eine Turbinenschaufel mit vorgegebener Abmessung höher ausgelastet werden. Daraus ergibt sich ebenfalls ein höherer Wirkungsgrad der Dampfturbine.
Wie bereits erwähnt, ergibt sich für den Bereich der Kraftwerksturbinen das Potenzial einer ganz erheblichen Verlängerung bestehender Endstufenschaufeln, einhergehend mit einer wesentlichen Vergrößerung der erreichbaren Abströmflächen. Beispielsweise können bislang halbtourig ausgeführte Turbosätze mit Abströmflächen von 20 m² je Flut mit Hilfe der erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln durch volltourige Turbosätze gleicher Abströmfläche ersetzt werden. Aufgrund der kleineren Baugröße volltouriger Turbosätze wird eine erhebliche Kosteneinsparung ermöglicht. Auch kann durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln die Anzahl von Niederdruck-Fluten reduziert werden. Für mehrflutige Kraftwerksanwendungen kann beispielsweise einer von drei Niederdruckteilen eingespart werden. Auch können zweiflutige Niederdruckturbinen durch einflutige Maschinen ersetzt werden, wodurch ebenfalls erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden können. Zusätzlich kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung in jedem Fall eine Verkleinerung der Anlagenbaugröße bei gleichem Abströmquerschnitt erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel eignet sich besonders für die letzte Laufschaufelreihe einer Dampfturbine, kann aber erfindungsgemäß ebenfalls für die zweit- und ggf. die drittletzte Schaufelreihe eingesetzt werden. Sie kann ebenfalls mit Vorstufen-Schaufeln aus Stahl oder Titan kombiniert werden. Der erfindungsgemäß zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff enthaltende Schaufelblattabschnitt der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel weist vorzugsweise zumindest im Außenwandbereich den Faserverbundwerkstoff auf. Vorteilhafterweise kann auch der gesamte Schaufelblattabschnitt aus Faserverbundwerkstoff bestehen. Weiterhin nimmt vorteilhafterweise bei zur Blattspitze schlanker werdendem Schaufelblattabschnitt die Anzahl der Fasern in Längsrichtung des Schaufelblattabschnitts ab.
Die vorgenannte Aufgabe ist erfindungsgemäß weiterhin mit einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel gelöst, bei welcher der Schaufelblattabschnitt zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff enthält, wobei zumindest der den Faserverbundwerkstoff enthaltende Bereich mit einer verformbaren feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht umgeben ist, die das Eindringen von Feuchtigkeit in den Faserverbundwerkstoff während dem Betrieb der Turbinenschaufel verhindert. Darüber hinaus ist die Aufgabe mit einer Dampfturbine gelöst, die mit einer derartigen Turbinenschaufel versehen ist.
Damit kann eine Feuchtigkeitsaufnahme des Schaufelblattabschnittes beim Betrieb in der Dampfturbine wirkungsvoll verhindert werden. Feuchtigkeitsaufnahme ist ein unerwünschter zeitabhängiger Vorgang, der eine Gewichtszunahme des Bauteils und damit eine potenzielle Unwucht des Rotors hervorrufen kann. Weiterhin kann eine derartige Feuchtigkeitsaufnahme eine Verformung des Faserverbundwerkstoffes sowie bei dauerhafter Einwirkung die Schädigung der Matrix und damit ein Versagen des den Faserverbundwerkstoff enthaltenden Bauteils bewirken. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht werden die vorstehend aufgeführten, die Betriebssicherheit der Dampfturbine gefährdenden Folgen vermieden. Damit die Schutzschicht die zu erwartenden Verformungen des Grundwerkstoffes des Schaufelblattabschnittes ohne Beschädigungen oder Verlust ihrer Abdichtfunktion erträgt, ist die erfindungsgemäße Schutzschicht verformbar ausgeführt. Dabei ist die Schutzschicht im Sinne der Erfindung derart verformbar ausgeführt, dass die Schutzschicht über ihre Lebensdauer trotz beim Betrieb der Schaufel auftretenden Verformungen des den Faserverbundwerkstoff enthaltenden Bereichs des Schaufelblattabschnittes ihre Feuchtigkeitsundurchlässigkeit nicht verliert. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, indem die Schutzschicht einen elastischen Einsatzbereich hat, der den ausgenutzten Dehnungsbereich des Grundwerkstoffes übersteigt. Neben dem durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Faserverbundwerkstoffs im Schaufelblattabschnitt ermöglichten größeren Dampfturbinenwirkungsgrad kann die erfindungsgemäße Ausführungsform der Turbinenschaufel durch die weiterhin erfindungsgemäße feuchtigkeitsundurchlässige Schutzschicht besonders betriebssicher eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise umschließt die feuchtigkeitsabweisende Schutzschicht den Schaufelblattabschnitt vollständig. Darüber hinaus kann es auch zweckmäßig sein, wenn die Schutzschicht die gesamte Turbinenschaufel, d.h. auch den Schaufelfuß, umschließt. In erfindungsgemäß vorteilhafter Ausführungsform sollte die Schutzschicht derart gestaltet sein, dass eine sichere Haftung der Schutzschicht auch bei Tropfenschlägen gegeben ist. Weiterhin sollte die Auslegung des Grundwerkstoffes des Schaufelblattabschnittes derart sein, dass fortwährende Tropfenschläge keine Ermüdung bzw. Zerrüttung des Grundwerkstoffes bewirken.
Die vorgenannte Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel gelöst, bei der sowohl der Schaufelblattabschnitt als auch der Fußabschnitt jeweils zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff enthält. Darüber hinaus ist die Aufgabe mit einer Dampfturbine gelöst, die mit einer derartigen Turbinenschaufel versehen ist.
Durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoff im Schaufelblattabschnitt kann, wie vorstehend bereits erwähnt, aufgrund der geringen Dichte des Faserverbundwerkstoffs die Turbinenschaufel mit einer großen Abströmfläche gestaltet werden.
Dies erhöht den Wirkungsgrad der Dampfturbine. Weiterhin kann durch die gleichzeitige Verwendung von Faserverbundwerkstoff im Fußabschnitt der Turbinenschaufel eine entsprechend sichere und verlässliche Verankerung der Turbinenschaufel in der Rotorwelle der Dampfturbine sichergestellt werden. So können insbesondere Fasern des Faserverbundwerkstoffs durchgängig durch den Schaufelblattabschnitt und den Fußabschnitt geführt werden, so dass der Schaufelblattabschnitt und der Fußabschnitt eine stabile Verbindung eingehen und ein Abriss des Schaufelblattabschnittes beim Betrieb der Turbinenschaufel selbst beim Auftreten großer Kräfte wirksam vermieden werden kann. Damit wird die Betriebssicherheit der Turbinenschaufel im Betrieb gewährleistet.
Um die Bruchsicherheit der den Faserverbundwerkstoff enthaltenden Bauteile sicherzustellen, enthält der Faserverbundwerkstoff vorteilhafterweise Glasfasern, Kunststofffasern, wie etwa Aramidfasern, und/oder Kunststofffasern. Insbesondere kann als Faserverbundwerkstoff der faserverstärkte Werkstoff CFK-HM verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Faserverbundwerkstoff Fasern auf, die im Bereich des Schaufelblattabschnittes unter einem von einer Hauptachse der Turbinenschaufel abweichenden Winkel, insbesondere unter dem Winkel ± 15°, ± -30° und/oder ± 45° gegenüber der Hauptachse geführt sind. Damit wird eine hohe Verwindungssteifigkeit des Schaufelblattabschnittes erreicht. Die Faserverbundlagen können spiegelsymmetrisch zur Blattmittelfläche angeordnet werden, wodurch eine Verwindung vermieden wird.
Eine unsymmetrische Anordnung hingegen führt zu Verwindung. Dies kann in einer vorteilhaften alternativen Ausführungsform ggf. zu Selbsteinstellungszwecken genutzt werden. Durch die Art der Anordnung derartiger Fasern oder Lagen kann innerhalb eines begrenzten Bereiches die Anisotropie auch dazu genutzt werden, eine gezielte Änderung der Schaufelgeometrie in Abhängigkeit von den Betriebsbeanspruchungen zu erzielen. Diesbezüglich kann eine derartige Verwindung vorgesehen werden, bei der sich das Schaufelgitter bei Überdrehzahlen öffnet, damit der Strömung weniger Energie entzieht und somit nicht zu einem weiteren Hochlauf beiträgt. Ebenso kann die Verwindung dazu genutzt werden, strömungs- und lastabhängig ein optimiertes Strömungsprofil einzustellen. So kann etwa das Schaufelgitter bei kleinerer Durchströmung geschlossen werden und bei größerer Durchströmung entsprechend geöffnet werden.
Um eine Kosten- und Steifigkeitsoptimierung der Schaufel zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn der Schaufelblattabschnitt einen in der Blattmitte angeordneten Füllkörper aufweist, der von dem Faserverbundwerkstoff vollständig umschlossen ist.
Um die Funktion der den Bereich mit dem Faserverbundwerkstoff umgebenden verformbaren feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht überwachen zu können und ein Versagen des Schaufelblattabschnitts auszuschließen, ist es zweckmäßig, wenn unter der Schutzschicht eine elektrisch leitende Schicht angeordnet ist. Diese elektrisch leitende Schicht dient als Warnmechanismus, womit eine Beschädigung der Schutzschicht detektiert werden kann, woraufhin Gegenmaßnahmen, wie etwa ein Ersatz oder ein Austausch des betroffenen Bauteils, bzw. eine Reparatur der Schutzschicht rechtzeitig getroffen werden können. Eine derartige elektrisch leitende Schicht kann entweder einzeln oder paarweise mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht vorgesehen sein.
Im letzteren Fall ergibt sich für den Schichtaufbau des Schaufelblattabschnitts im Oberflächenbereich desselben eine aufeinander folgende Anordnung des Faserverbundwerkstoffs, einer elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Schicht, einer Isolationsschicht, einer weiteren elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Schicht sowie der Schutzschicht. Zur Überwachung der Funktion der Schutzschicht kann dann der Isolationswiderstand gegenüber der Umgebung oder zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten gemessen werden. Auch kann die elektrische Kapazität der die elektrisch leitende Schicht, die Isolationsschicht, sowie die weitere elektrisch leitende Schicht umfassenden Anordnung zur Überwachung der Funktion der Schutzschicht gemessen werden. Bei Vorsehen nur einer elektrisch leitenden Schicht bietet sich entsprechend die Messung des Isolationswiderstands gegenüber der Umgebung oder des elektrischen Widerstands der elektrisch leitenden Schicht zur Überwachung der Funktion der Schutzschicht an.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind unter der Schutzschicht wasserlösliche chemische Stoffe angeordnet, die in gelöster Form, insbesondere auf chemische, optische und/oder radiologische Weise nachweisbar sind. Diese Maßnahme stellt eine alternative Überwachungsmöglichkeit der Funktion der Schutzschicht dar. So kann beispielsweise das Kondensat des Wasser-Dampf-Kreislaufes des Dampfkraftwerkes kontinuierlich überprüft werden. Sind darin die unter der Schutzschicht angeordneten chemischen Stoffe nachweisbar, deutet dies auf eine Beschädigung der Schutzschicht hin.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist eine Anströmkante der Turbinenschaufel mit einer Kantenverstärkung zum Schutz gegen Tropfenschlag versehen. Eine derartige Kantenverstärkung kann durch Aufkleben auf die Turbinenschaufel oder durch Einlaminieren in die Turbinenschaufel geschaffen werden. Auch kann eine derartige Kantenverstärkung mittels einer aufgedichteten Schutz- oder Zwischenschicht hergestellt werden. Weiterhin ist es möglich, die Schutzschicht entsprechend aufzudicken oder ein zusätzliches Schutzbauteil aufzukleben oder einzubetten. Auch kann das Grundbauteil der Turbinenschaufel selbst mit einer turbinenartigen Kantenverstärkung gestaltet sein. Alternativ kann ein Schutz gegen Tropfenschlag durch einen Laminataufbau der Turbinenschaufel, bei dem die Fasern in Querrichtung verlaufen, erreicht werden.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Fußabschnitt der Turbinenschaufel ein Kontaktelement zum Herstellen eines Kontaktes mit einer Schaufelfußhalterung in einer Rotorwelle einer Dampfturbine aufweist, wobei das Kontaktelement Faserverbundwerkstoff und/oder einen metallischen Werkstoff enthält. Wahlweise kann das Kontaktelement aus Faserverbund oder aus metallischen Werkstoffen bestehen. Die entsprechenden metallischen Werkstoffe sollten derart gewählt sein, dass sie eine tragfähige und maßhaltige Verbindung zur Rotorwelle gestatten und eine Überbeanspruchung des das Kontaktelement umgebenden Faserverbundwerkstoffs des Schaufelfußes verhindern. Insbesondere kann das Kontaktelement von einer metallischen Hülse gebildet werden. Bei Vorsehen der vorstehend beschriebenen verformbaren feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht sollte diese vorteilhafterweise im Fußbereich, insbesondere im Kontaktbereich speziell verstärkt oder mit Schutzelementen vor Beschädigungen geschützt werden.
In besonders vorteilhafter Ausführungsform weist der Fußabschnitt ein Umlenkelement, mittels dem eine wesentliche Anzahl von Fasern des Schaufelblattes umgelenkt wird, und/oder ein Führungselement, mittels dem eine vorteilhafte Faserführung im Schaufelfuß in eine an die Geometrie des Schaufelblattabschnittes angepasste Faserführung umgeleitet ist, auf. Auch das Umlenkelement und/oder das Führungselement können jeweils aus Faserverbundwerkstoff oder einem metallischen Werkstoff bestehen. Insbesondere kann das Kontaktelement und das Führungselement bzw. das Kontaktelement und das Umlenkelement jeweils von demselben Element gebildet werden.
Vorteilhafterweise ist weiterhin der Fußabschnitt als Steckfuß ausgeführt, der in eine Schaufelfußhalterung einer Rotorwelle der Turbine in bezüglich der Rotorwelle radialer Richtung einsteckbar ist. Zweckmäßigerweise sind dabei die Fasern des Faserverbundwerkstoffs um als Kontaktelemente dienende Hülsen herumgeführt. Weiterhin kann vorteilhafterweise bei einem derartigen Steckfuß die Blattkrümmung im Fußbereich durch eine Zuordnung zu unterschiedlichen Stiftpositionen des Steckfußes nachempfunden werden, so dass sich vorteilhafterweise geringe Umlenkungen vom Fußbereich zum Blattbereich ergeben. Der Aufwand für Führungselemente bleibt damit beschränkt.
In vorteilhafter Ausführungsform umgibt die verformbare feuchtigkeitsundurchlässige Schutzschicht auch den Fußabschnitt. Damit wird ein Eindringen von Feuchtigkeit auch in den im Fußabschnitt enthaltenen Faserverbundwerkstoff wirkungsvoll verhindert. Hierdurch kann die Lebensdauer der Turbinenschaufel weiterhin vergrößert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Fußabschnitt der Turbinenschaufel als Schiebefuß ausgeführt, der in eine Schaufelfußhalterung einer Rotorwelle der Turbine in bezüglich der Rotorwelle im Wesentlichen axialer Richtung einschiebbar ist. Unter im Wesentlichen axialer Richtung ist zu verstehen, dass die Einschieberichtung um bis zu ± 40° von der axialen Richtung abweichen kann. Insbesondere ist der Fußabschnitt gekrümmt gestaltet, wobei die Fußkrümmung im Wesentlichen der der in Fußnähe vorliegenden Krümmung des Schaufelblattabschnitts folgt. Durch Umlenkungs- und Kontaktelemente wird eine Kraftübertragung auf Schaufelnuten erreicht. Kontaktelemente können auch die Funktion von Führungselementen wahrnehmen. Damit wird der Aufwand für Führungselemente minimiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfturbine weist diese eine Einrichtung zur Beobachtung des Schwingungsverhaltens der Turbinenschaufel auf. Damit kann eine Änderung der Eigenfrequenz der Turbinenschaufel erkannt werden, was auf eine Feuchtigkeitsaufnahme des Faserverbundwerkstoffs in dem Schaufelblattabschnitt während dem Betrieb der Dampfturbine rückzuführen sein kann. Eine derartige Änderung der Eigenfrequenz der Turbinenschaufel sollte dann zum Anlass genommen werden, die Funktionalität der vorgenannten verformbaren feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht zu überprüfen und ggf. die Schutzschicht zu reparieren, damit ein Versagen des Bauteils verhindert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Dampfturbine mindestens eine beheizbare Leitschaufel auf. Durch Beheizung kann Feuchtigkeit auf der Leitschaufel verdampft werden und eine entsprechende Beschädigung anderer Turbinenschaufeln durch Tropfenschlag verhindert werden. Alternativ kann auch eine Vorrichtung zum Absaugen von Nässe auf mindestens einer Leitschaufel vorgesehen sein.
Die Herstellung der Faserverbundschaufeln erfolgt vorzugsweise mit den üblichen Verfahren, bei denen Fasern gewickelt und mit dem Matrixwerkstoff getränkt oder in Form von so genannten Prepregs aufgebracht werden. Danach werden sie in einem so genannten Gesenk in ihre endgültige Form gebracht, wobei auch eine Aushärtung der Matrix erfolgt. Dafür werden optional bereits Kontakt-, Umlenk- oder Führungselemente mit ein- oder angebracht. Danach kann es erforderlich sein, die Schaufeln an bestimmten Stellen, z.B. durch Schleifen, zu bearbeiten, um beispielsweise die erforderliche Maßhaltigkeit, Toleranzeinhaltung und Oberflächengüte zu erreichen. Auch können bereits montierte Kontakt-, Umlenkungs- oder Führungselemente bearbeitet werden oder diese Elemente nach dem Formgebungsvorgang angebracht werden. Wie bereits vorstehend erwähnt, kann weiterhin ein Kantenschutz montiert werden, welcher durch nachfolgende Anpassarbeit, wie etwa durch Schleifen in das Schaufelprofil integriert wird. Im Anschluss daran erfolgt eine Beschichtung mit den für die Schutzschicht und das Warnsystem erforderlichen Schichten. Dabei können einzelne Schichten an bestimmten Stellen verstärkt ausgeführt werden, um Schutz- oder Verstärkungsfunktionen zu verbessern.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemä-ßen Turbinenschaufel anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:

Fig. 1: eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel,
Fig. 2: den Schnitt II-II gemäß Fig. 1,
Fig. 2a: eine erste Ausführungsform des Ausschnitts X gemäß Fig. 2,
Fig. 2b: eine zweite Ausführungsform des Ausschnitts X gemäß Fig. 2,
Fig. 2c: den Ausschnitt Y gemäß Fig. 2,
Fig. 3a: eine Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel,
Fig. 3b: den Schnitt III-III gemäß Fig. 3a,
Fig. 4a: eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel mit Blick Richtung Fußabschnitt der Schaufel,
Fig. 4b: eine Schnittansicht einer Rotorwelle einer Dampfturbine in dem Bereich einer Wellennut mit einem darin befestigten Fußabschnitt einer Turbinenschaufel gemäß Fig. 4a, sowie
Fig. 4c: den Ausschnitt Z gemäß Fig. 4b.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10, welche insbesondere zur Verwendung in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine gestaltet ist. Die Turbinenschaufel 10 umfasst einen Schaufelblattabschnitt 12 sowie einen Fußabschnitt 14 in Gestalt eines Steckfußes. Der Fußabschnitt 14 weist Einstecklaschen 16 für eine Stiftverbindung auf. Der Schaufelblattabschnitt 12 ist aus Faserverbundwerkstoff 18 gefertigt, welcher Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern enthält. Die Hauptfaserrichtung 20 verläuft entlang einer Hauptachse 21 der Turbinenschaufel 10.
In einem Bereich nahe dem Fußabschnitt 14 weist der Schaufelblattabschnitt 12 eine Zusatzfaserverbundlage 22 auf. Die Zusatzfaserverbundlage 22 enthält zusätzliche Fasern, die unter abweichendem Winkel gegenüber der Hauptachse 21 der Turbinenschaufel 10, z.B. unter einem Winkel von ± 15°, ± 30° oder ± 45° verlaufen und zur Versteifung des Schaufelblattabschnitts 12 vorgesehen sind. Es können auch mehrere derartige Zusatzfaserverbundlagen 22 vorgesehen sein. Dabei können diese Lagen spiegelsymmetrisch zur Blatt-Mittelfläche angeordnet werden, wodurch eine Verwindung vermieden wird. Eine unsymmetrische Anordnung der Zusatzfaserverbundlagen führt zu einer Verwindung. Dies kann ggf. zu Selbsteinstellungszwecken genutzt werden.
Fig. 2 zeigt den Schnitt II-II im Schaufelblattabschnitt 12 gemäß Fig. 1. Dieser zeigt einen im Bereich großer Blattdicke zur Gewichts- und Steifigkeitsoptimierung angeordneten Füllkörper 24. Dieser ist von dem Faserverbundwerkstoff 18 umgeben. Die Turbinenschaufel 10 wird mittels Turbinendampf 26 gemäß Fig. 2 von links her angeströmt. Zum Schutz gegen Tropfenschlag ist die dem einströmenden Turbinendampf 26 zugewandte Anströmkante der Turbinenschaufel 10 mit einer Kantenverstärkung 28 versehen. Die Kantenverstärkung 28 ist in Fig. 2c näher dargestellt. Sie besteht aus Metall und ist mittels einer Klebeverbindung 40 mit einem kleb- und faserverbundgerechten Auslauf 42 an der Anströmkante 27 der Turbinenschaufel 10 befestigt.
Fig. 2a veranschaulicht eine erste Ausführungsform des Aufbaus der Turbinenschaufel 10 gemäß Fig. 2 in einem Oberflächenbereich derselben. Der innen liegende Faserverbundwerkstoff 18 ist dabei von einer ersten elektrisch leitenden Schicht 36 in Gestalt einer metallischen Schicht, einer Isolationsschicht 34, einer zweiten elektrisch leitenden Schicht 32 in Gestalt einer metallischen Schicht, sowie schließlich einer Schutzschicht 30 umgeben. Die Schutzschicht 30 ist feuchtigkeitsabweisend zum Abdichten des Schaufelblattabschnitts 12 gegenüber Flüssigkeit ausgeführt. Die Schutzschicht 30 verhindert damit ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Faserverbundwerkstoff 18. Weiterhin ist die Schutzschicht 30 derart verformbar ausgebildet, dass sie die während dem Betrieb der Turbinenschaufel 10 zu erwartenden Verformungen ohne Verlust ihrer Abdichtfunktion ausgleicht. Die aufeinander folgende Anordnung der elektrisch leitenden Schicht 32, der Isolationsschicht 34 und der elektrisch leitenden Schicht 36 dient zur Überwachung der Funktion der Schutzschicht 30. Dazu wird der Isolationswiderstand der elektrisch leitenden Schichten 30, 32 gegenüber der Umgebung oder zwischen den Schichten bzw. die Kapazität der Schichtanordnung gemessen, um festzustellen, ob Feuchtigkeit durch die Schutzschicht 30 in das Innere des Schaufelblattabschnitts 12 eingedrungen ist.
Fig. 2b zeigt eine zweite Ausführungsform des Aufbaus der Turbinenschaufel 10 gemäß Fig. 2 in einem Oberflächenbereich derselben. Hier ist der Faserverbundwerkstoff 18 von einer Schicht mit Indikationsmaterial 38 umgeben, welche wiederum von der Schutzschicht 30 umgeben ist. Das Indikationsmaterial 38 liegt in Form von wasserlöslichen Stoffen vor, welche in gelöster Form auf chemische, optische und/oder radiologische Weise nachweisbar sind. Das Indikationsmaterial 38 dient damit zur Detektierung einer Undichtigkeit in der Schutzschicht 30. Dringt nämlich Feuchtigkeit in das Innere des Schaufelblattabschnitts 12 ein, so werden die wasserlöslichen chemischen Stoffe des Indikationsmaterials 38 gelöst und können im aus dem die Turbine verlassenden Dampf gewordenen Kondensat nachgewiesen werden.
Fig. 3a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 110. An einen nur teilweise gezeigten Schaufelblattabschnitt 12 mit Faserverbundwerkstoff 18 schließt sich ein Fußabschnitt 43 an. Dabei sind die Fasern des Faserverbundwerkstoffs 18 ausgehend von dem Schaufelblattabschnitt 12 in den Fußabschnitt 43 geführt und darin um ein Kontakt- und Umlenkelement 46 in Gestalt einer metallischen Hülse herumgeführt, woraufhin die Faser dann wieder in den Schaufelblattabschnitt 12 zurückläuft. Das Element 46 erfüllt damit eine Umlenkfunktion. Gleichzeitig füllt es auch eine Kontaktfunktion, in dem es Kontakt mit einer Wellennut 48 einer Rotorwelle 47 einer Dampfturbine herstellt. Weiterhin umfasst die Turbinenschaufel 110 gemäß Fig. 3a ein sog. Führungselement 44, mittels dem eine vorteilhafte Faserführung im Schaufelfuß in eine an die Geometrie des Schaufelblattabschnitts 12 angepasste Faserführung des Faserverbundwerkstoffs 18 umgeleitet wird.
In Fig. 3b ist der Schnitt III-III nach Fig. 3a gezeigt. Der Fußabschnitt 43 ist in Gestalt eines Steckfußes mit Einstecklaschen 45 zum Einstecken in entsprechende quer zu einer Längsachse 50 einer Rotorwelle 47 verlaufende Wellennuten 48 ausgeführt. Die Einstecklaschen 45 werden dann mittels quer dazu angeordneten Einsteckstiften in den Wellennuten 48 befestigt. Jeder dieser Steckfüße 45 weist eines der Kontakt- und Umlenkelemente 46 auf.
In Fig. 4a ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 210 mit einem Fußabschnitt 52 in Gestalt eines Schiebefußes veranschaulicht. Der Fußabschnitt 52, der in Fig. 4b in Schnittansicht genauer dargestellt ist, wird in eine in axialer Richtung der Rotorwelle verlaufende Wellennut 60 eingeschoben. Der Fußabschnitt 52 ist dabei mit einer Krümmung versehen, wie in Fig. 4a dargestellt und weist ein Umlenkelement 56 auf, um das eine wesentliche Zahl von Fasern des Faserverbundwerkstoffs 18 herumgeführt ist. Diese Fasern sind von einem Führungs- oder Kontaktelement 54 umgeben. Dieses Element erfüllt zunächst die Funktion, eine vorteilhafte Faserführung im Fußabschnitt 52 in eine an die Geometrie des Schaufelblattabschnitts 12 angepasste Faserführung umzuleiten. Weiterhin erfüllt das Element 54 die Funktion, Kontakt mit einer Wellennut 60 der Rotorwelle 58 herzustellen. Das Führungs- und Kontaktelement 54 umgibt den Faserverbundwerkstoff 18 des Fußabschnitts 14 vollständig und grenzt auch an den Faserverbundwerkstoff 18 im unteren Bereich des Faserschaufelblattabschnitts 12 an.
Dieser Bereich ist in Fig. 4c genauer dargestellt. Um bei Verformungen des Schaufelblattabschnitts 12 keine Beschädigungen des Führungs- und Kontaktelements 54 oder des Faserverbundwerkstoffs 18 hervorzurufen, ist ein Spalt 62 zwischen dem Faserverbundwerkstoff 18 und dem Element 54 vorgesehen.

Claims

Turbinenschaufel (10, 110, 210) für eine Dampfturbine mit einem Schaufelblattabschnitt (12) sowie einem Fußabschnitt (14, 43, 52),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelblattabschnitt (12) zur Verwendung in einer Niederdruckstufe der Dampfturbine gestaltet ist und zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff (18) enthält.
Turbinenschaufel (10, 110, 210) für eine Dampfturbine mit einem Schaufelblattabschnitt (12) sowie einem Fußabschnitt (14, 43, 52), insbesondere nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelblattabschnitt (12) zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff (18) enthält,
wobei zumindest der den Faserverbundwerkstoff (18) enthaltende Bereich von einer verformbaren feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht (30) umgeben ist, die das Eindringen von Feuchtigkeit in den Faserverbundwerkstoff (18) während dem Betrieb der Turbinenschaufel (10, 110, 210) verhindert.
Turbinenschaufel (10, 110, 210) für eine Dampfturbine mit einem Schaufelblattabschnitt (12) sowie einem Fußabschnitt (14, 43, 52), insbesondere nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
sowohl der Schaufelblattabschnitt (12) als auch der Fußabschnitt (14, 43, 52) jeweils zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff (18) enthält.
Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Faserverbundwerkstoff (18) Glasfasern, Kunststofffasern und/oder Kohlenstofffasern enthält.
Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Faserverbundwerkstoff (18) Fasern aufweist, die im Bereich des Schaufelblattabschnittes (12) unter einem von einer Hauptachse (21) der Turbinenschaufel (10, 110, 210) abweichenden Winkel, insbesondere unter den Winkeln ± 15°, ± 30° und/oder ± 45° gegenüber der Hauptachse (21) geführt sind.
Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelblattabschnitt (12) einen in der Blattmitte angeordneten Füllkörper (24) aufweist, der von dem Faserverbundwerkstoff (18) vollständig umschlossen ist.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
gekennzeichnet durch
eine unter der Schutzschicht (30) angeordnete elektrisch leitende Schicht (32, 36).
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
unter der Schutzschicht (30) wasserlösliche chemische Stoffe (38) angeordnet sind, die in gelöster Form, insbesondere auf chemische, optische und/oder radiologische Weise,
nachweisbar sind.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Anströmkante (27) der Turbinenschaufel (10, 110, 210) mit einer Kantenverstärkung (28) zum Schutz gegen Tropfenschlag versehen ist.
Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Fußabschnitt (14) ein Kontaktelement (46, 54) zum Herstellen eines Kontaktes mit einer Schaufelfußhalterung (48, 60) in einer Rotorwelle (47, 58) einer Dampfturbine aufweist,
wobei das Kontaktelement (46, 54) Faserverbundwerkstoff (18) und/oder einen metallischen Werkstoff enthält.
Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Fußabschnitt (14, 43, 52) ein Umlenkelement (46, 56), mittels dem eine wesentliche Anzahl von Fasern des Schaufelblattabschnitts (12) umgelenkt wird,
und/oder ein Führungselement (44, 54), mittels dem eine vorteilhafte Faserführung im Fußabschnitt (14, 43, 52) in eine an die Geometrie des Schaufelblattabschnitts (12) angepasste Faserführung umgeleitet ist,
aufweist.
Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Fußabschnitt (14, 43, 52) als Steckfuß (14, 43) ausgeführt ist, der in eine Schaufelfußhalterung (48) einer Rotorwelle (47) der Turbine in bezüglich der Rotorwelle (47) radialer Richtung einsteckbar ist.
Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die feuchtigkeitsabweisende Schutzschicht (30) auch den Fußabschnitt (14, 43, 52) umgibt.
Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Fußabschnitt (14, 43, 52) als Schiebefuß (52) ausgeführt ist,
der in eine Schaufelfußhalterung (60) einer Rotorwelle (58) der Turbine in bezüglich der Rotorwelle (58) im Wesentlichen axialer Richtung einschiebbar ist.
Dampfturbine mit einer Turbinenschaufel (10, 110, 210) nach einem der vorausgehenden Ansprüche.
Dampfturbine nach Anspruch 15,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zur Beobachtung des Schwingungsverhaltens der Turbinenschaufel (10, 110, 210).
Dampfturbine nach Anspruch 15 oder 16,
gekennzeichnet durch
mindestens eine beheizbare Leitschaufel.