EP1820940A1 - Strömungsmaschine mit einer Beschichtung von Laufschaufeln mit einer Formgedächtnislegierung und Verwendung einer Formgedächtnislegierung für eine solche Strömungsmaschine. - Google Patents

Strömungsmaschine mit einer Beschichtung von Laufschaufeln mit einer Formgedächtnislegierung und Verwendung einer Formgedächtnislegierung für eine solche Strömungsmaschine. Download PDF

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EP1820940A1
EP1820940A1 EP06003201A EP06003201A EP1820940A1 EP 1820940 A1 EP1820940 A1 EP 1820940A1 EP 06003201 A EP06003201 A EP 06003201A EP 06003201 A EP06003201 A EP 06003201A EP 1820940 A1 EP1820940 A1 EP 1820940A1
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EP
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shape memory
shape
coating
memory alloy
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Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to a turbomachine having vanes and blades.
  • turbomachines are known, for example, as a compressor, steam turbine or gas turbine.
  • the turbomachine has a rotor rotatably mounted about a rotation axis on which the blade is anchored.
  • a stationary component is arranged such that a radial gap is created between the blade tip and the stationary component.
  • the stationary component can be configured, for example, as an inner housing.
  • the inner housing is associated with the guide vane, so that the inner housing is designed as a guide vane carrier.
  • a flow medium flows past the blade substantially along the axis of rotation, the flow medium following its predetermined path through the blade grid formed by the blades and vanes arranged one behind the other.
  • mist droplets form in the medium flow or vapor stream which are captured by the guide vanes, accumulate there and tear off from the outlet edges as drops of water. Due to their high kinetic energy, these water droplets on the rotor blades, in particular on the rotor blade leading edges, lead to surface disruption and droplet impact erosion, so that in some cases cost-intensive edge protection measures have to be taken.
  • the blades in particular the blade inlet edges as possible
  • the blades, or the blade inlet edges are also known to subject the blades, or the blade inlet edges of a surface treatment (hardening).
  • the invention has for its object to improve a turbomachine of the type mentioned with simple means to the effect that the blades are designed much more resistant to Tropfenschlagerosion.
  • the object is achieved in that at least the blades are at least partially coated with a shape memory material.
  • a shape memory material according to the invention is a material which resumes its original shape after deformation.
  • pseudoelasticity is a special form of shape memory effect.
  • imprinted shape changes in the material create a stress-induced austenite / martensite phase transformation, with back-conversion taking place upon release and the material resumes its original shape.
  • the pseudoelasticity can also be called superelasticity.
  • the shape memory material is designed as a nickel-titanium alloy, although of course other alloys such as CuZnAL or CuA1Ni can be used, which also have the shape memory effect.
  • the preferred nickel-titanium alloys have a pseudoelastically reversible elongation of about 6% to 8%, wherein the shape memory material should not be limited to this exemplified region. This effect is available in a certain temperature range, but this can be influenced by the alloy composition.
  • the operating temperatures of low-pressure blades (about 60 ° C to 100 ° C) advantageously allow the use or the use of the shape memory material as a coating for a blade or the blade inlet edge.
  • the drop impact erosion is based on surface disruption by impacting water droplets.
  • the impact energy is converted into reversible pseudoelastic deformation and can thus no longer lead to the disruption of the blade material.
  • the adhesion due to the coating material is also sufficient on titanium blades, wherein in addition the damping and the friction corrosion behavior are improved.
  • nickel-titanium layers provide excellent corrosion resistance through the formation of a dense titanium oxide layer.
  • the blade or the blade inlet edge is preferably coated with a material called Nitinol.
  • the entire blade is coated with the shape memory material, wherein it is possible to coat only the blade edges or the blade inlet edges with the shape memory material or the pseudoelastic material, preferably with nitinol.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, die Leitschaufeln und Laufschaufeln ausweist. Zumindest die Laufschaufeln sind zumindest bereichsweise mit einem Formgedächtniswerkstoff beschichtet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, die Leitschaufeln und Laufschaufeln aufweist.
  • Derartige Strömungsmaschinen sind zum Beispiel als Verdichter, Dampfturbine oder Gasturbine bekannt. Die Strömungsmaschine weist einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor auf, an dem die Laufschaufel verankert ist. Ein stationäres Bauteil ist derart angeordnet, dass ein Radialspalt zwischen der Laufschaufelspitze und dem stationären Bauteil entsteht. Das stationäre Bauteil kann beispielsweise als Innengehäuse ausgestaltet sein. Dem Innengehäuse ist die Leitschaufel zugeordnet, so dass das Innengehäuse als Leitschaufelträger ausgestaltet ist.
  • In der Strömungsmaschine strömt ein Strömungsmedium im Wesentlichen entlang der Rotationsachse an der Laufschaufel vorbei, wobei das Strömungsmedium seinem vorgegebenen Weg durch das durch die hintereinander angeordneten Laufschaufeln und Leitschaufeln gebildete Schaufelgitter folgt.
  • Insbesondere bei Dampfturbinen wird beobachtet, dass sich im Mediumstrom bzw. Dampfstrom Nebeltröpfchen bilden, die von den Leitschaufeln eingefangen werden, dort akkumulieren und von den Austrittskanten als Wassertropfen abreißen. Diese Wassertropfen führen aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie an den Laufschaufeln, insbesondere an den Laufschaufeleintrittskanten zu Oberflächenzerrüttung und Tropfenschlagerosion, so dass zum Teil kostenintensive Kantenschutzmaßnahmen getroffen werden müssen.
  • Um die negativen Auswirkungen der Tropfenschlagerosion zu vermeiden ist es beispielsweise bekannt, die Laufschaufeln, insbesondere die Laufschaufeleintrittskanten mit möglichst harten Schichten zu versehen, wodurch die Tropfenschlagerosion allerdings nicht vollständig verhindert werden kann und zum Teil sogar die Rissempfindlichkeit der Laufschaufeln erhöht wird, so dass nachteiligerweise die erreichbaren Betriebsspannungen gesenkt werden müssen. Bekannt ist aber auch, die Laufschaufeln, bzw. die Laufschaufeleintrittskanten einer Oberflächenbehandlung (Härten) zu unterziehen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln dahin gehend zu verbessern, dass die Laufschaufeln wesentlich resistenter gegen Tropfenschlagerosion ausgeführt sind.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest die Laufschaufeln zumindest bereichsweise mit einem Formgedächtniswerkstoff beschichtet sind.
  • Ein Formgedächtniswerkstoff im Sinne der Erfindung ist ein Werkstoff, welcher nach einer Verformung seine ursprüngliche Form wieder einnimmt.
  • Besonders vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist, wenn der Formgedächtniswerkstoff als pseudoelastische Beschichtung ausgeführt ist. Hierbei ist die Pseudoelastizität eine spezielle Form des Formgedächtniseffektes. Beispielsweise erzeugen aufgeprägte Formänderungen im Werkstoff eine spannungsinduzierte Austenit/Martensit Phasenumwandlung, wobei bei Entlastung eine Rückumwandlung stattfindet und der Werkstoff seine ursprüngliche Form wieder einnimmt. Die Pseudoelastizität kann auch als Superelastizität bezeichnet werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Formgedächtniswerkstoff als Nickel-Titan-Legierung ausgeführt ist, wobei natürlich auch andere Legierungen wie zum Beispiel CuZnAL oder CuA1Ni verwendet werden können, die ebenfalls den Formgedächtniseffekt aufweisen.
  • Die bevorzugten Nickel-Titan-Legierungen weisen eine pseudoelastisch reversible Dehnung von ca. 6% bis 8% auf, wobei der Formgedächtniswerkstoff nicht auf diesen beispielhaft genannten Bereich beschränkt sein soll. Dieser Effekt ist in einem bestimmten Temperaturbereich verfügbar, der jedoch über die Legierungszusammensetzung beeinflusst werden kann.
  • Insbesondere die Betriebstemperaturen von Niederdruckschaufeln (ca. 60°C bis 100°C) ermöglichen hier vorteilhaft den Einsatz bzw. die Verwendung des Formgedächtniswerkstoffes als Beschichtung für eine Laufschaufel bzw. der Laufschaufeleintrittskante.
  • Wie bereits ausgeführt, beruht die Tropfenschlagerosion auf Oberflächenzerrüttung durch aufschlagende Wassertropfen. Bei der erfindungsgemäßen Beschichtung mit dem Formgedächtnis bzw. pseudoelastischen Werkstoff wird die Aufprallenergie dagegen in reversible pseudoelastische Verformung umgesetzt und kann somit nicht mehr zur Zerrüttung des Schaufelwerkstoffs führen. Um der Beschichtung bzw. dem Formgedächtniswerkstoff oder pseudoelastischen Werkstoff zusätzlich Widerstand, beispielsweise gegen Festkörpererosion zu verleihen, ist es insbesondere bei Nickel-Titan-Beschichtungen möglich, mittels Laserumschmelzungen der Oberfläche harte Titankarbid-Inseln zu erzeugen.
  • Möglich ist beispielsweise, den Formgedächtniswerkstoff bzw. die pseudoelastische Beschichtung spritztechnisch aufzubringen. Denkbar ist hierbei, während des Beschichtungsvorgangs direkt Hartstoffe mit aufzubringen, wobei als Hartstoffe beispielsweise Karbide verwendet werden können.
  • Als vorteilhaft ist weiter anzusehen, dass die Haftung aufgrund des Beschichtungswerkstoffs auch auf Titanschaufeln hinreichend ist, wobei zusätzlich die Dämpfung und das Reibungskorrosionsverhalten verbessert wird. Zudem bieten Nickel-Titan-Schichten durch die Bildung einer dichten Titanoxidschicht einen ausgezeichneten Korrosionswiderstand.
  • Als beispielhafte Nickel-Titan-Legierung wird die Laufschaufel bzw. die Laufschaufeleintrittskante bevorzugt mit einem Werkstoff der Bezeichnung Nitinol beschichtet.
  • Zweckmäßig ist vorgesehen, dass nicht die gesamte Laufschaufel mit dem Formgedächtniswerkstoff beschichtet wird, wobei möglich ist, lediglich die Laufschaufelkanten bzw. die Laufschaufeleintrittskanten mit dem Formgedächtniswerkstoff bzw. dem pseudoelastischen Werkstoff, bevorzugt mit Nitinol zu beschichten.
  • Möglich ist auch, nicht alle Laufschaufeln bzw. Laufschaufeleintrittskanten der Strömungsmaschine mit dem Formgedächtniswerkstoff zu beschichten. Denkbar ist, in Strömungsrichtung des Mediums bzw. Dampfes solche Laufschaufeln bzw. Laufschaufeleintrittskanten zu beschichten, welche tatsächlich einer Tropfenschlagerosion ausgesetzt sind. Solche tropfenschlaggefährdeten Laufschaufeln sind insbesondere im Bereich der Austrittsseite der Strömungsmaschine angeordnet, da hier aufgrund der Entspannung des Mediums bzw. des Dampfes eine hohe Kondensationsrate an den Leitschaufeln zu erwarten ist.
  • Zusammenfassend weist die Verwendung des Formgedächtniswerkstoffes als Beschichtung zur Verminderung der Tropfenschlagerosion insbesondere der Laufschaufelkanten bzw. Laufschaufeleintrittskanten unter anderem folgende Vorteile auf:
    • Es tritt keine Oberflächenzerrüttung mehr auf, da sich die Laufschaufeloberfläche bzw. die Laufschaufelkante beim Aufprall eines Wassertropfens pseudoelastisch reversibel verformt;
    • Anhebung der zulässigen Betriebsspannungen in den Laufschaufeln im Vergleich zu den bisher eingesetzten Kantenschutzverfahren;
    • Gute Kompatibilität und Haftung auch auf Titan-Schaufelwerkstoffen; und
    • Ausgezeichneter Widerstand gegen Korrosion.

Claims (4)

  1. Strömungsmaschine,
    die Leitschaufeln und Laufschaufeln aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest die Laufschaufeln zumindest bereichsweise mit einem Formgedächtniswerkstoff beschichtet sind.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Formgedächtniswerkstoff als pseudoelastische Beschichtung ausgeführt ist.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Formgedächtniswerkstoff als Nickel-Titan-Legierung ausgeführt ist.
  4. Verwendung eines Formgedächtniswerkstoffs zumindest an Laufschaufeln einer Strömungsmaschine, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Formgedächtniswerkstoff zumindest bereichsweise als Beschichtung an den Laufschaufeln aufgebracht ist.
EP06003201A 2006-02-16 2006-02-16 Strömungsmaschine mit einer Beschichtung von Laufschaufeln mit einer Formgedächtnislegierung und Verwendung einer Formgedächtnislegierung für eine solche Strömungsmaschine. Withdrawn EP1820940A1 (de)

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