EP2287447A2

EP2287447A2 - Thermoplastendstufenschaufel

Info

Publication number: EP2287447A2
Application number: EP10169024A
Authority: EP
Inventors: Christoph Ebert; Detlef Haje; Albert Langkamp; Markus Mantei
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: JP2011033037A; DE102009036018A1; US20110002790A1; CN101988394A; EP2287447B1; EP2287447A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Turbinenschaufel (100). Die Turbinenschaufel (100) weist einen Dämpfungsbereich (101) mit einer Dämpfungslage (103) auf, wobei die Dämpfungslage (103) ein Faser-Matrix-System (200) aufweist. Das Faser-Matrix-System (200) weist eine thermoplastische Matrix (201) auf, in welcher thermoplastischen Matrix (201) Verstärkungsfasern (202) eingebettet sind.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel.

Hintergrund der Erfindung

Heutzutage werden in Turbinen, insbesondere in Dampfturbinen, vorherrschend Laufschaufeln aus Stahl eingesetzt. Insbesondere bei großen stationären Dampfturbinen mit großen Durchmessern sind die erreichbaren Drehzahlen für Laufschaufeln aus Stahl aufgrund des hohen Eigengewichts begrenzt. Hierbei wäre ein Einsatz von Laufschaufeln bestehend aus Faserverbundwerkstoffen denkbar, um die Masse der Schaufeln signifikant zu reduzieren, was wiederum eine Erhöhung der Drehzahl ermöglicht.
Bei stationären Dampfturbinen, welche große Durchmesser und somit große Schaufellängen aufweisen, treten ferner unerwünschte Schwingungen auf, die gedämpft werden müssen. Heutzutage wird daher eine Schwingungsdämpfung über zusätzliche Dämpfungsdrähte oder Deckbänder an der Oberfläche der Schaufeln erzeugt. Aufgrund der Schaufelgeometrie müssen diese Dämpfungsdrähte oder Deckbänder häufig äußerst umständlich an den Schaufeln aufgebracht werden, was wiederum eine Verschlechterung des Wirkungsgrades mit sich zieht und einen komplexen Fertigungsaufwand erfordert.

Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenschaufel mit Dämpfungseigenschaften bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Turbinenschaufel, einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, und einem Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform wird eine Turbinenschaufel bereitgestellt, wobei Teilbereiche der Turbinenschaufel oder die gesamte Turbinenschaufel einen Dämpfungsbereich aus einer Dämpfungslage darstellen oder aufweisen. Die Dämpfungslage weist ein Faser-Matrix-System auf. Das Faser-Matrix-System weist eine thermoplastische Matrix auf, in welcher Matrix Verstärkungsfasern eingebettet sind.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird eine Turbine bereitgestellt, welche die oben beschriebene Turbinenschaufel aufweist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren werden zunächst Verstärkungsfasern in eine thermoplastische Matrix eingebettet, um ein Faser-Matrix-System einer Dämpfungslage zu bilden. Mit der Dämpfungslage wird ein Dämpfungsbereich der Turbinenschaufel gebildet. Der Dämpfungsbereich kann Teilbereiche der Turbinenschaufel oder die gesamte Turbinenschaufel ausbilden.
Mit dem Begriff "Dämpfungsbereich" wird ein Bereich einer Turbinenschaufel beschrieben, in welchem Dämpfungseigenschaften der Turbinenschaufel integriert werden. Der Dämpfungsbereich wird insbesondere in solchen Bereichen der Turbinenschaufel installiert, in denen meist höhere Schub- oder Momentenbelastungen auftreten als in den übrigen Bereichen der Turbinenschaufel, so dass in diesen Dämpfungsbereichen eine Dämpfung gewünscht ist. Ferner können in dem Dämpfungsbereich größere Schwingungen gedämpft werden als in den übrigen Bereichen der Turbinenschaufel. Der Dämpfungsbereich kann entlang des Erstreckungsbereichs bzw. entlang der Länge einer Turbinenschaufel einen bestimmten Abschnitt definieren. Ferner kann der Dämpfungsbereich einen bestimmten Bereich in einem Querschnitt der Turbinenschaufel definieren. So kann beispielsweise ein äußerer Bereich einer Turbinenschaufel einen Dämpfungsbereich aufweisen, wohingegen ein innerer Bereich einen beliebigen Schaufelbereich definieren kann. In dem Dämpfungsbereich können beispielsweise hohe Zentrifugalkräfte, hohe Biegebelastungen, hohe Schubspannungen, hohe Torsionsbelastungen oder ungewünschte Schwingungen angreifen, welche eine Dämpfung erfordern und in dem Dämpfungsbereich gedämpft werden. Für eine Turbinenschaufel, insbesondere einer Thermoplastendstufenschaufel, bildet die gesamte Turbinenschaufel den Dämpfungsbereich. Das heißt, dass die gesamte Turbinenschaufel aus mehreren Dämpfungslagen hergestellt werden kann und somit aus den Dämpfungslagen selbst bestehen kann.
Unter einer "Lage", insbesondere einer Dämpfungslage und/oder einer Faserlage, versteht man eine Schicht einer Dämpfungslage bzw. eines Dämpfungsmaterials und eine Schicht einer Faserlage bzw. einer Verstärkungsfaserschicht. Eine Lage kann beispielsweise eine Dicke von 0,1 - 1 mm aufweisen, insbesondere beispielsweise eine Dicke von 0,2 mm, 0,25 mm und/oder 0,3 mm.
Unter dem Begriff "Faser-Matrix-System" kann ein Faserverbund bestehend aus einer Matrix und Verstärkungsfasern verstanden werden. Das Faser-Matrix-System kann beispielsweise die Dämpfungslage völlig oder teilweise darstellen.
Unter dem Begriff "Verstärkungsfaser" werden Fasern verstanden, welche Kräfte, die auf das Faser-Matrix-System wirken, weiterleiten und übertragen können. Im Vergleich zu der Matrix können die Fasern eine hohe Steifigkeit insbesondere auf Zug aufweisen. Der Kraftfluss ist meistens entlang der Faser ausgelegt, um die besten Steifigkeitseigenschaften einer Verstärkungsfaser auszunutzen.
Unter dem Begriff "Matrix" wird ein Rohmaterial verstanden, welches die Verstärkungsfasern einbettet. Unter dem Begriff "einbetten" wird definiert, dass die Verstärkungsfasern räumlich fixiert in der Matrix vorliegen und somit eine Lasteinleitung und eine Lastausleitung ermöglichen können. Die Matrix kann ferner die Verstärkungsfasern beispielsweise gegen Stauchung bei faserparallelem Druck schützen. Die Verstärkungsfasern und die Matrix sind beispielsweise miteinander verklebt bzw. verschmolzen, so dass eine Lastübertragung zwischen der Matrix und der Verstärkungsfaser erfolgen kann, womit auch Schubkräfte übertragen werden können.
Unter dem Begriff "thermoplastische" Matrix wird der Werkstoff der Matrix definiert. Ein thermoplastischer Werkstoff bzw. eine thermoplastische Matrix weist insbesondere dämpfende Eigenschaften auf. Der thermoplastische Werkstoff der Matrix weist eine geringere Steifigkeit und einen höheren Dämpfungswert bezüglich einer unter Zug beanspruchten Verstärkungsfaser auf. Somit kann die thermoplastische Matrix dämpfend wirken, während die Verstärkungsfaser versteifend wirkt. Die thermoplastische Matrix lässt sich auch nachträglich umformen oder verschweißen. Die thermoplastische Matrix kann beispielsweise aus Polyetheretherketone (PEEK), aus Polyamid (PA), aus Polypropylen (PP), aus Polycarbonat (PC) oder aus Polyethylen (PE) bestehen.
Die Verstärkungsfasern können beispielsweise aus Kunstfasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Polyester-Fasern, Polyamid-Fasern oder Polyethylen-Fasern bestehen. Neben diesen organischen Verstärkungsfasern können ebenso anorganische Fasern wie Glasfasern, Naturfasern oder metallische Fasern eingesetzt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung kann eine Turbinenschaufel, welche insbesondere aus Faserverbundwerkstoffen besteht, gezielt gedämpft werden, ohne dass eine Stabilität bzw. eine Steifigkeit der Turbinenschaufel derart reduziert wird, dass eine Instabilität geschaffen wird. Durch die Anwendung eines thermoplastischen Matrixwerkstoffes kann ein gezielt einstellbares, vorteilhaftes Potential zur Schwingungsdämpfung durch den Werkstoff selbst erreicht werden. Mit anderen Worten wird die werkstoffseitige Schwingungsdämpfung verbessert, indem in den kritischen Dämpfungsbereichen oder in der gesamten Turbinenschaufel eine Materialkombination aus Thermoplast und Verstärkungsfaser eingesetzt wird. Ferner können verschieden belastete Dämpfungsbereiche unterschiedliche Kombinationen unterschiedlicher thermoplastischer Faser-Matrix-Systeme bereitgestellt werden, um die Turbinenschaufel gezielt an eine vordefinierte Belastung anzupassen.
Ferner kann die Turbinenschaufel aufgrund des Einsatzes des thermoplastischen Faser-Matrix-Systems eine nachträgliche Verformung des Profils der Turbinenschaufel erzielt werden, indem das thermoplastische Faser-Matrix-System erneut erwärmt und somit an- bzw. aufgeschmolzen wird. Somit ist eine gezielte Nachverformung bzw. Nachjustierung oder Feinjustierung an bestimmte Turbinenschaufelprofile oder an verschiedene Lastbeanspruchungen möglich. Auch eine gezielte Verstimmung bzw. Verformung einzelner Schaufeln am Schaufelkranz kann somit erreicht werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Dämpfungsbereich Faserlagen auf, wobei die Faserlagen und die Dämpfungslage einen Schichtverbund bilden.
Unter dem Begriff "Schichtverbund" versteht man beispielsweise ein Laminat, welches ein Aufeinanderschichten der verschiedenen Lagen, insbesondere der Dämpfungslagen und der Faserlagen, beschreibt. Ein Schichtverbund beschreibt eine schichtweise Herstellung bzw. den schichtweisen Aufbau des Dämpfungsbereichs oder auch andere Bereiche der Turbinenschaufel, wie beispielsweise den anderen Schaufelbereichen. Der Schichtverbund bzw. die Schichtverbundwerkstoffe bestehen aus aufeinander liegenden Schichten bzw. Lagen unterschiedlicher Anzahl. Die einzelnen Schichten bzw. die einzelnen Lagen können beispielsweise verklebt werden oder aufgrund der Offenporigkeit der Materialien sich gegenseitig verhaken. Beispielsweise kann der Schichtverbund in Harz getränkt sein, um die Lagen miteinander zu verbinden. Der Schichtverbund bildet den integralen Aufbau eines Bauteils aus, so dass über den Schichtverbund Kräfte, welche auf das Bauteil wirken, übertragen werden können. Der Schichtverbund weist ferner die homogen verlaufende Oberfläche des Bauteils auf. Mit anderen Worten zählen extern auf die Oberfläche eines Bauteils aufgeklebte Anbauten nicht zu dem Schichtverbund des Bauteils bzw. der Turbinenschaufel.
Der Begriff "Faserlage" beschreibt hierbei eine Lage aus Fasern, welche kein thermoplastisches Material aufweisen können. Die Faserlagen können beispielsweise eine hohe Steifigkeit bzw. eine höhere Steifigkeit als die Dämpfungslagen aufweisen und aus verschiedenen Verstärkungsfasermaterialien, wie oben beschrieben, bestehen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Turbinenschaufel einen Schaufelbereich auf, wobei der Schaufelbereich aus einer Vielzahl von weiteren Faserlagen besteht. Die Vielzahl von weiteren Faserlagen bildet einen weiteren Schichtverbund aus. Der Schaufelbereich bzw. die Schaufelbereiche können an den oder die Dämpfungsbereiche der Turbinenschaufel angrenzen. Die Schaufelbereiche können aus der Vielzahl von weiteren Faserlagen bestehen, welche im Vergleich zum Dämpfungsbereich eine höhere Steifigkeit und Belastbarkeit aufweisen. Schwingungen können beispielsweise von dem Schaufelbereich auf den Dämpfungsbereich übertragen werden, wobei der Dämpfungsbereich mittels des thermoplastischen Faser-Matrix-Systems die Schwingungen dämpfen bzw. absorbieren kann. Mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine Turbinenschaufel bereitgestellt werden, welche beispielsweise entlang ihrer Erstreckungsrichtung eine Vielzahl von Schaufelbereichen aufweist, welche wiederum an einer Vielzahl von Dämpfungsbereichen angrenzt. An vordefinierten Bereichen mit einer hohen Belastung bzw. mit einem hohen Dämpfungserfordernis können die Dämpfungsbereiche angeordnet werden. An Bereichen, an welchen Schwingungen unkritisch sind bzw. an welchen eine hohe Steifigkeit erforderlich ist, können die Schaufelbereiche angeordnet werden. Somit kann eine Turbinenschaufel individuell an ihre beanspruchten Lasten angeglichen werden und damit hinsichtlich Kosten und Effektivität an ein detailliertes Anforderungsprofil angepasst werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform werden die Verstärkungsfasern in einem Winkel zueinander zwischen 1° (Grad) und 90° (Grad) in die Matrix eingebettet. Gerade bei komplexer Lasten bzw. Lastrichtungen können einzelne Verstärkungsfasern mit unterschiedlichen Winkeln zueinander angeordnet werden. Dabei kann die Dämpfungslage oder die Faserlage beispielsweise als Gewebe, als Gestick oder als Geflecht mit orientierten Verstärkungsfasern hergestellt werden. Je nach Ausrichtung der Verstärkungsfasern kann die Turbinenschaufel an vordefinierte Lastrichtungen angepasst werden, so dass die Turbinenschaufel gezielt an ein vordefiniertes Anforderungspotential anpassbar ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind die Verstärkungsfasern parallel zueinander in die thermoplastische Matrix eingebettet. In Bereichen, in welchen die Turbinenschaufel beispielsweise ausschließlich auf Zug beansprucht wird, können parallel angeordnete Verstärkungsfasern ausreichen. Komplexe Verwebungen und Ausrichtungen von Verstärkungsfasern sind dann nicht notwendig, so dass ein Herstellungsverfahren mit geringen Herstellungskosten in diesen Bereichen mit parallelen Verstärkungsfasern geschaffen werden kann.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist zumindest eine der Verstärkungsfasern ein Hybridgarn auf. Das Hybridgarn weist ein thermoplastisches Material und ein Kohlefasermaterial auf. Ein solches Hybridgarn kann beispielsweise aus vielen miteinander verdrillten oder verwirbelten Garnen bestehen, welche zusammen das Hybridgarn bilden. Ein Teil dieser Garne kann aus einem thermoplastischen Material und der andere aus einem Verstärkungsfasermaterial, wie z.B. Kohlenstofffasern, bestehen. Ferner besteht auch die Möglichkeit, das Hybridgarn derart zu bilden, dass das thermoplastische Material als Garn ausgebildet wird und das Fasergarn in das thermoplastische Garn eingeschmolzen wird. Somit kann auf einfache Art und Weise bereits mittels der Verwendung des thermoplastischen Garns als Verstärkungsfaser eine gezielte Dämpfung der Turbinenschaufel bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Dämpfungslage eine geringere elastische Steifigkeit und/oder einen höheren Dämpfungswert als die Faserlage auf.
Der Begriff "Dämpfungswert" beschreibt die dämpfenden Eigenschaften eines Materials. Der Dämpfungswert ,tan δ' kann beispielsweise zwischen 0 und 1 liegen.
Der Begriff "Steifigkeit" kann beispielsweise den E-Modul oder G-Modul beschreiben. So kann beispielsweise eine Faser in Längsrichtung 130 GPa und entlang der Querrichtung lediglich 8 GPa Steifigkeit aufweisen. Bei einem Gewebe von Fasern können beispielsweise Steifigkeiten von 65 GPa in jeder Hauptfaserrichtung erreicht werden. Jeder Hauptfaserrichtung ist mit einem Winkel α zueinander ausgerichtet. Die thermoplastische Matrix kann beispielsweise eine Steifigkeit von 0,5 bis 10 GPa aufweisen, dafür jedoch bessere Dämpfungseigenschaften als die Verstärkungsfasern.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Dämpfungsbereich eine geringere elastische Steifigkeit und/oder einen höheren Dämpfungswert als der Schaufelbereich auf.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Turbinenschaufel eine Hüllschicht auf. Die Hüllschicht ist derart um eine Oberfläche bzw. um einen Oberflächenbereich der Turbinenschaufel gehüllt, dass die Turbinenschaufel vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Die Hüllschicht weist ein unverstärktes thermoplastisches Material auf, was mit dem Matrixmaterial identisch ist. Aufgrund der höheren Dämpfwirkung eines unverstärkten thermoplastischen Materials kann die Weichheit bzw. die Elastizität des thermoplastischen Materials größer sein als die Elastizität der Faserlage. Bei Auftreffen von äußeren Partikeln auf die Oberfläche der Turbinenschaufel erodiert eine Oberfläche aus thermoplastischem Material weniger als beispielsweise eine Faserschicht bestehend aus Verstärkungsfasern mit einer höheren Steifigkeit. Somit kann die Lebensdauer einer Turbinenschaufel erhöht werden, da eine Beschädigung durch Auftreffen äußerer Partikel reduziert ist. Hinzu ist ein thermoplastisches Material im Allgemeinen beständiger gegen Feuchtigkeit als eine Verstärkungsfaser, so dass Korrosion reduziert wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Dämpfungsbereich ein weiteres Faser-Matrix-System mit einer thermoplastischen Matrix auf. Das weitere Faser-Matrix-System ist derart im Dämpfungsbereich und/oder in dem Schaufelbereich angeordnet, dass dieses äußeren Einflüssen der Turbinenschaufel ausgesetzt ist. Das weitere Faser-Matrix-System mit thermoplastischer Matrix weist Verstärkungsfasern auf, welche als Fasermatten in willkürlichen Hauptfaserrichtungen vorliegen. Durch die willkürliche Ausrichtung der Hauptfaserrichtungen der Verstärkungsfasern wird die Steifigkeitseigenschaft des weiteren Faser-Matrix-Systems reduziert und eine bessere Absorptionseigenschaft und eine größere Beständigkeit gegenüber einem Aufschlag von äußeren Partikeln erhöht. Das weitere Faser-Matrix-System kann ferner auch über die anderen Bereiche der Turbinenschaufel auch, beispielsweise auch über die Schaufelbereiche, erstreckt werden. Im Vergleich zu einer unverstärkten thermoplastischen Matrix kann das weitere Faser-Matrix-System mit einer faserverstärkten Matrix neben einer hohen Absorptionsfähigkeit gegenüber auftreffenden Partikeln auch eine höhere Steifigkeit aufweisen, so dass das weitere thermoplastische Faser-Matrix-System ebenfalls zur Gesamtsteifigkeit der Turbinenschaufel beitragen kann. Somit kann ein steifes Material für eine Turbinenschaufel bereitgestellt werden bei gleichzeitiger Erhöhung der Erosionsbeständigkeit und auch der Korrosionsbeständigkeit gegenüber Flüssigkeiten einer Oberfläche der Turbinenschaufel. Gerade bei Dampfturbinen ist die Erosion durch Wassertröpfchen kritisch. Eine Oberfläche bzw. eine äußere Schicht des Schaufelblatts aus unverstärktem Thermoplast bzw. aus einer abschließenden Schicht aus thermoplastischem Matrixmaterial bzw. einer abschließenden Schicht des weiteren thermoplastischen Faser-Matrix-Systems kann eine integrierte Erosionsschicht bereitstellen, ohne dass zusätzliche Versiegelungsschichten aufgetragen werden müssen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, mit den oben beschriebenen Turbinenschaufeln ausgestattet. Insbesondere weisen Dampfturbinen große Durchmesser, insbesondere bei der ersten Verdichterstufe und der letzten Turbinenstufe auf. Gerade bei Laufrädern einer Dampfturbine mit großem Durchmesser wirken hohe Zentrifugalkräfte, Biegemomente und Torsionskräfte. Gerade dort eignet sich der Einsatz der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel, um eine ausreichende Steifigkeit bei verbesserten Dämpfungseigenschaften gegenüber herkömmlichen Turbinenschaufeln zu erzielen. Somit können selbst bei Dampfturbinen mit großen Durchmessern Turbinenschaufeln aus einem Verbundwerkstoff eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens wird bei dem Einbetten die thermoplastische Matrix aufgeschmolzen und die Verstärkungsfasern auf der Matrix aufgepresst. Somit kann eine kostengünstige Fertigung im Pressverfahren bereitgestellt werden, indem das in der Matrix vorhandene thermoplastische Material aufgeschmolzen wird. Lange Infiltrations- und Härtungszeiten wie bei herkömmlichen Faserverbundlagen können beispielsweise entfallen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Dämpfungsbereich zum Angleichen an eine vordefinierte Form der Turbinenschaufel mittels eines weiteren Aufschmelzens der thermoplastischen Matrix verformt. Durch diese Aufschmelzbarkeit des Faser-Matrix-Systems bzw. der thermoplastischen Matrix kann die endgültige Formgebung der Turbinenschaufel, z.B. eine Verdrillung der Turbinenschaufel, im Anschluss an den Herstellungsvorgang z. B. einen Pressvorgang erfolgen. Dies kann vor allem bei speziellen Turbinenanforderungen, insbesondere bei Sonderanforderungen an den Verdrillungswinkel etc., nützlich sein. Ferner hilft eine Nachverformung bzw. Nachjustierung bei speziellen Problemen mit einer Schwingungsfrequenz. Der Dämpfungsbereich kann beispielsweise auf eine geänderte bzw. unvorhergesehene Schwingungsfrequenz mittels des Wiederaufschmelzens nachverformt bzw. feinjustiert werden.
Die Eigenschaft der Wiederaufschmelzbarkeit des Faser-Matrix-Systems erlaubt darüber hinaus auch eine nachträgliche Schaufelreparatur. Beispielsweise kann ein zusätzliches thermoplastisches Material aufgetragen werden, um Beschädigungen am Faser-Matrix-System zu beheben. Somit ist die Möglichkeit einer Reparatur geschaffen. Mit anderen Worten kann örtlich ein zusätzlicher Thermoplast aufgebracht werden, um Beschädigungen an der Turbinenschaufel zu reparieren.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.

Fig. 1 zeigt eine Turbinenschaufel mit einem Dämpfungsbereich gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Faser-Matrix-System in einer Dämpfungslage gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Faser-Matrix-Systems in einer Dämpfungslage gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen

Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in den Figuren ist schematisch und nicht maßstäblich.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Turbinenschaufel 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Turbinenschaufel 100 weist einen Dämpfungsbereich 101 mit einer Dämpfungslage 103 auf. Die Dämpfungslage 103 weist ein Faser-Matrix-System 200 (siehe Fig. 2) auf. Das Faser-Matrix-System 200 weist eine thermoplastische Matrix 201 (siehe Fig.2) auf, in welcher thermoplastischen Matrix 201 Verstärkungsfasern 202 (siehe Fig. 2) eingebettet sind.
Die Turbinenschaufel 100 weist, wie in Fig. 1 dargestellt, zwei Schaufelbereiche 102 auf, welche den Dämpfungsbereich 101 umgeben. Der Schaufelbereich 102 wird beispielsweise aus einem weiteren Schichtverbund 107 gebildet, welcher aus einer Vielzahl von weiteren Faserlagen 105 bestehen kann. Bestehen die weiteren Faserlagen 105 beispielsweise aus Verstärkungsfasern 202 bestehend aus Kohlenstofffasern oder anderen versteifenden Verbundfasern, so bildet der weitere Schichtverbund 107 einen äußerst steifen Schaufelbereich 102 aus.
Die Faserlagen 104 im Dämpfungsbereich 101 können in die Schaufelbereiche 102 fließend übergehen. Bei einem fließenden bzw. konstanten Übergang der Faserlagen 104 von dem Dämpfungsbereich 102 in die Schaufelbereiche 102 bilden die Faserlage 104 mit den weiteren Faserlagen 105 eine kontinuierlich verlaufende Lage aus. Darüber hinaus können die Dämpfungsbereiche 101 als Halbzeuge gefertigt werden, wobei die Faserlagen 104 nicht über dem Dämpfungsbereich 101 hinauslaufen bzw. nicht in die Schaufelbereiche 102 hineinragen. Die Faserlagen 104 sind beispielsweise an den Randbereichen der Dämpfungsbereiche 101 abgeschnitten.
Im Dämpfungsbereich 101 kann die Schwingungsdämpfung erzeugt werden, indem ein Schichtverbund 106 den Dämpfungsbereich 101 bildet, wobei der Schichtverbund 106 aus zumindest einer Dämpfungslage 103 und aus weiteren Faserlagen 104 besteht. Aufgrund des schichtweisen Aufbaus mittels der Dämpfungslage 103 kann der Dämpfungsbereich 101 weniger steif sein als die Schaufelbereiche 102, so dass hier eine Schwingungsdämpfung durch den Schichtverbund 106, d.h. durch den Werkstoff selbst, erzeugt werden.
Ferner kann um die Turbinenschaufel 100 eine Hüllschicht 108 geformt werden, wobei die Hüllschicht 108 zumindest den Dämpfungsbereich 101 aber auch zusätzlich die Schaufelbereiche 102 vor äußeren Einflüssen schützt. Die Hüllschicht 108 kann dabei beispielsweise aus einem unverstärkten thermoplastischen Material bestehen. Ein unverstärktes thermoplastisches Material kann eine weiche Hüllschicht 108 ausbilden, so dass Einschläge von Fremdpartikeln auf die Turbinenschaufel abgefedert werden und durch die weiche Hüllschicht 108 abprallen können. Durch die geringe Steifigkeit der thermoplastischen Hüllschicht 108 verformt sich beim Einschlag eines Fremdpartikels die Hüllschicht 108 leicht, so dass die Aufprallenergie absorbiert wird, ohne dass Risse oder andere Beschädigungen entstehen.
Ferner kann der Dämpfungsbereich 101 oder zusätzlich auch die Schaufelbereiche 102 ein weiteres thermoplastisches Faser-Matrix-System 109 aufweisen, welche die Turbinenschaufel 100 vor äußeren Einflüssen schützen kann. Das weitere Faser-Matrix-System 109 kann eine thermoplastische Matrix 201 aufweisen, in welche Verstärkungsfasern 202 eingebettet sind. Liegen die Verstärkungsfasern 202 willkürlich in der thermoplastischen Matrix 201 vor, so kann dies als Fasermatte bezeichnet werden. Die Fasermatten weisen eine geringere Steifigkeit auf als Faser-Matrix-Systeme mit gerichteten Verbundfasern, so dass wiederum eine höhere Weichheit bzw. Elastizität mit dem weiteren Faser-Matrix-System 109 erzeugt werden kann. Dies führt wiederum zu einem Schutz vor äußeren Einschlägen von Fremdpartikeln und vor Erosion der Oberfläche der Turbinenschaufel 100.
Fig. 2 zeigt ein Faser-Matrix-System 200, welches aus einer thermoplastischen Matrix 201 besteht. In die thermoplastische Matrix 201 sind Verstärkungsfasern 202 eingebettet. Wie in Fig. 2 dargestellt, können die Verstärkungsfasern 202 parallel ausgerichtet sein. Somit können die Verstärkungsfasern, welche auf Zug belastet werden, eine hohe Steifheit des Faser-Matrix-Systems 200 bereitstellen. Quer zur Faserrichtung der Verstärkungsfasern 202 sind hohe Dämpfungseigenschaften aufgrund der geringen Steifigkeit der Verstärkungsfasern 202 möglich.
Fig. 3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Faser-Matrix-Systems 200, in welchem Verstärkungsfasern 202 in eine thermoplastische Matrix 201 eingebettet sind. Die Verstärkungsfasern 200 sind dabei in einem bestimmten Winkel α zwischen weiteren Verstärkungsfasern 201 eingebettet. Mit anderen Worten liegen die Verstärkungsfasern 201 nicht parallel zueinander vor. Durch diese mehrdirektionale Ausrichtung der Verstärkungsfasern 202 kann gezielt eine hohe Steifigkeit der Verstärkungsfasern 202 in mehrere vordefinierte Richtungen ermöglicht werden. Die Dämpfungseigenschaften werden hierbei vornehmlich durch die thermoplastische Matrix 201 erzeugt. Damit kann ein Dämpfungsbereich 101 bereitgestellt werden, welcher einerseits Verstärkungseigenschaften bzw. Steifigkeitseigenschaften und andererseits Dämpfungseigenschaften aufweisen kann.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Turbinenschaufel, aufweisend:
einen Dämpfungsbereich (101) mit einer Dämpfungslage (103),

wobei die Dämpfungslage (103) ein Faser-Matrix-System (200) aufweist,

wobei das Faser-Matrix-System (200) eine thermoplastische Matrix (201) aufweist, in welcher thermoplastischen Matrix (201) Verstärkungsfasern (202) eingebettet sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
wobei der Dämpfungsbereich (101) Faserlagen (104) aufweist und die Faserlagen (104) mit der Dämpfungslage (103) einen Schichtverbund (106) bilden.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend
einen Schaufelbereich (102),
wobei der Schaufelbereich (102) aus einer Vielzahl von weiteren Faserlagen (105) besteht,
wobei die Vielzahl von weiteren Faserlagen (105) einen weiteren Schichtverbund (107) ausbildet.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Verstärkungsfasern (202) zueinander in einem Winkel (α) zwischen 1 Grad und 90 Grad in die thermoplastische Matrix (201) eingebettet sind.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Verstärkungsfasern (202) parallel zueinander in die thermoplastische Matrix (201) eingebettet sind.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei zumindest eine der Verstärkungsfasern (202) ein Hybridgarn aufweist,
wobei das Hybridgarn ein thermoplastisches Material und ein Kohlefasermaterial aufweist.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
wobei die Dämpfungslage (103) eine geringere elastische Steifigkeit und/oder einen höheren Dämpfungswert als die Faserlagen (104) aufweist.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
wobei der Dämpfungsbereich (101) eine geringere elastische Steifigkeit und/oder einen höheren Dämpfungswert als der Schaufelbereich (102) aufweist.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend
eine Hüllschicht (108),
wobei die Hüllschicht (108) derart um eine Oberfläche der Turbinenschaufel (100) gehüllt ist, dass die Turbinenschaufel (100) vor äußeren Einflüssen geschützt ist,
wobei die Hüllschicht (108) ein unverstärktes thermoplastisches Material aufweist.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend
ein weiteres Faser-Matrix-System (109) mit einer thermoplastischen Matrix (201),
wobei das weitere Faser-Matrix-System (109) derart im Dämpfungsbereich (101) und/oder dem Schaufelbereich (102) angeordnet ist, dass dieses äußeren Einflüssen der Turbinenschaufeln (100) ausgesetzt ist,
wobei das weitere Faser-Matrix-System (109) Verstärkungsfasern (202) aufweist, welche als Fasermatten mit willkürlichen Hauptfaserrichtungen vorliegen.
Turbine, insbesondere Dampfturbine, aufweisend:
zumindest eine Turbinenschaufel (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Turbine nach Anspruch 11,
wobei die zumindest eine Turbinenschaufel (100) eine Laufschaufel der Turbine ist.
Verfahren zum Herstellen eines Dämpfungsbereichs (101) einer Turbinenschaufel (100), das Verfahren aufweisend
Einbetten von Verstärkungsfasern (202) in eine thermoplastische Matrix (201), um ein Faser-Matrix-System (200) einer Dämpfungslage (103) zu bilden,
Bilden des Dämpfungsbereichs (101) der Turbinenschaufel (100) mittels der Dämpfungslage (103).
Verfahren nach Anspruch 13,
wobei bei dem Einbetten die thermoplastische Matrix (201) aufgeschmolzen wird und die Verstärkungsfasern (202) auf der thermoplastischen Matrix (201) aufgepresst werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, ferner aufweisend
Verformen des Dämpfungsbereichs (101) zum Angleichen an eine vordefinierte Form der Turbinenschaufel (100) mittels eines weiteren Aufschmelzens der thermoplastischen Matrix (201).