Beschreibung
Verfahren zum Anbringen bzw. Herstellen eines geschlossenen Deckbandes für eine Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe so- wie Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe für eine Turbine
Die vorliegende Erfindung betrifft mehrere Verfahren zum Anbringen bzw. Herstellen eines geschlossenen Deckbandes an die/den stirnseitigen freien Enden von nebeneinander angeord- neten Schaufelblättern einer Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine. Ferner betrifft die Erfindung eine Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe für eine Turbine, aufweisend eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Schaufelblätter.
Die Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine weist eine Vielzahl von Schaufelblättern auf. Beim Betrieb einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, wird die Laufbeschaufelung hohen Kräften ausgesetzt. Die letzte Stufe einer Kondensationsdampfturbine ist bei der Auslegung der Turbine meist das begrenzende Bauteil bzgl. der maximalen Durchströmfläche bzw. der maximalen Drehzahl, da die Zentrifugalkräfte/Fliehkräfte zu hohen Spannungen führen. Der Einsatz von Laufbeschaufelungen bzw. Schaufelblättern aus einem Verbund- werkstoff, wie einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff wirkt sich durch die deutlich geringere Masse derartig ausgebildeter Laufbeschaufelungen bzw. Schaufelblätter vorteilhaft aus. D.h., der Einsatz von Faserverbundlaufbeschaufelungen wirkt sich durch das deutlich bessere Festigkeits-/Masse-Verhältnis vorteilhaft aus.
Bei kleineren Laufbeschaufelungen ist es bekannt ein Deckband aus Stahl an den stirnseitigen freien Enden der Schaufelblät- ter, d.h. an den Schaufelblattspitzen, anzubringen. Dabei werden eine Vielzahl von Stahlelementen kraftschlüssig miteinander verbunden, bis diese ein geschlossenes, umlaufendes Deckband ergeben.
Aufgrund der hohen Fliehkräfte ist es aber nicht möglich, ein dichtendes und somit wirkungsgradsteigerndes Stahldeckband auf große Laufbeschaufelungen, beispielsweise der letzte Stu- fe einer Kondensationsdampfturbine, anzubringen. Dieses
Stahldeckband würde aufgrund der Lage am Außendurchmesser die Fliehkräfte deutlich erhöhen, so dass eine derartige Laufbeschaufelung im Betrieb nicht standhält. Ferner führt ein Deckband zu Einschränkungen bzgl. der Materialstärke und des Designs der Laufbeschaufelung.
Daher ist die letzte Stufe einer Beschaufelung einer Turbine, insbesondere einer Kondensationsdampfturbine, meist mit freistehenden Schaufelblättern ausgeführt. Soweit im Anwendungs- fall erforderlich werden die Schaufelblätter mit Koppelelementen, die zwischen den Schaufelblättern angeordnet werden, stabilisiert .
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Deckband für eine große Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine herzustellen bzw. dieses an eine große Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine anzubringen, um den Wirkungsgrad einer Beschaufelung bzw. einer Turbinenstufe einer Turbine zu steigern und die Schwingungen der Schaufelblätter der Laufbe- schaufelung zu dämpfen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Anbringen bzw. Herstellen eines geschlossenen Deckbandes an die/den stirnseitigen freien Enden von nebeneinander angeord- neten Schaufelblättern einer Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 9, durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10 sowie durch eine Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe für eine Turbine mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 20 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten
Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem der erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Verfahren sowie der Laufbeschaufelung, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Anbringen bzw. Herstellen eines geschlosse- nen Deckbandes an die/den stirnseitigen freien Enden von nebeneinander angeordneten Schaufelblättern einer Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine gelöst, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Band aus einem Faserwerkstoff auf die stirnseitigen freien Enden der Schau- felblätter gewickelt wird, dass ein Matrixwerkstoff in den
Faserwerkstoff des aufgewickelten Bandes infiltriert wird und der entstehende Faserverbundwerkstoff ausgehärtet wird.
Im Lichte der Erfindung werden die Schaufelblattspitzen als stirnseitige freie Enden der Schaufelblätter bezeichnet. Benachbarte Schaufelblätter weisen bevorzugt den gleichen Abstand zueinander auf. Die Schaufelblätter der Laufbeschaufe- lung können aus Stahl oder Titan ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Schaufelblätter der Laufbeschaufelung jedoch aus ei- nem Faserverbundwerkstoff ausgebildet, da sich dieser Werkstoff, im Gegensatz zu Schaufelblättern aus Stahl oder Titan, durch das bessere Festigkeits-/Masse-Verhältnis vorteilhaft auswirkt. Faserverbundwerkstoffe sind Werkstoffe, die wenigstens zwei Komponenten, nämlich einen Faserwerkstoff und einen Matrixwerkstoff, umfassen. Der Matrixwerkstoff umgibt dabei den Faserwerkstoff. Durch die gegenseitigen Wechselwirkungen der beiden Komponenten können bei einem Faserverbundwerkstoff bessere bzw. höherwertige Eigenschaften erreicht werden, als bei jedem der beiden einzelnen Komponenten.
Zur Herstellung und Anbringung des Deckbandes wird zunächst ein Band aus einem Faserwerkstoff auf die stirnseitigen freien Enden der Schaufelblätter gewickelt. Dies kann durch eine
Drehung der Laufbeschaufelung um eine Achse erfolgen. Vorteilhafterweise ist die Laufbeschaufelung an einen Rotor befestigt, der gedreht wird. Zum Aufbringen des Bandes werden der Rotor und damit die Laufbeschaufelung gedreht. Das Faser- werkstoffband ist vorteilhafterweise auf einer Rolle aufgewickelt. Diese Rolle wird zum Aufwickeln des Faserwerkstoffbandes auf die stirnseitigen Enden der Schaufelblätter bevorzugt ebenfalls drehbar, beispielsweise auf einer Wickelmaschine, gelagert. Das Faserwerkstoffband kann unterschiedlich straff auf die stirnseitigen Enden der Schaufelblätter aufgewickelt werden .
Nach dem Aufwickeln des Faserwerkstoffbandes wird ein Matrixwerkstoff in den Faserwerkstoff des aufgewickelten Bandes infiltriert. Durch die Infiltration des Matrixwerkstoffes in den Faserwerkstoff entsteht der so genannte Faserverbundwerkstoff. Nach einem Aushärteprozess entsteht ein festes Deckband, das an den stirnseitigen Enden der Schaufelblätter fest angeordnet ist. Durch Variation der Bandlänge des Faserwerkstoffbandes kann die Deckbandstärke gezielt variiert und an die jeweiligen Randbedingungen einer Turbine angepasst werden. Der Matrixwerkstoff wird in flüssiger Form in den Faserwerkstoff des aufgewickelten Bandes infiltriert. Aushärten bedeutet, dass sich der flüssige Matrixwerkstoff, nachdem sich dieser gleichmäßig im Faserwerkstoff verteilt hat, ver- festigt. Dies kann unter Zuhilfenahme eines Temperprozesses erfolgen. Durch entsprechende Erwärmung härtet der entstehende Verbundwerkstoff aus, so dass ein stabiles, fest anliegendes Deckband aus einem Faserverbundwerkstoff entsteht.
Ein derartiges Deckband aus einem Faserverbundwerkstoff dämpft die Schwingungen der Schaufelblätter während des Betriebes der Laufbeschaufelung sehr gut und ermöglicht es, dass die Turbinenschaufelblätter der Turbinenschaufel dünner und damit auch aerodynamisch günstiger ausgelegt werden kön- nen, als aus Schwingungsstabilitätsgründen bislang möglich war. Insbesondere große Laufbeschaufelungen, wie bei der Endstufe einer Kondensationsdampfturbine, können durch das Anbringen eines derartigen Deckbandes in ihren Schwingungen ge-
dämpft werden. Die bei einer Drehung der Laufbeschaufelung auftretenden Fliehkräfte können durch ein derartiges Deckband, im Vergleich zu einem angebrachten Deckband aus Stahl, verringert werden. Durch das Anbringen eines derartigen Deck- bandes kann auf zusätzliche Koppelelemente, die zur Dämpfung der Schwingungen der Schaufelblätter zwischen diesen angeordnet werden, verzichtet werden, wodurch der Wirkungsgrad der Turbinenstufe bzw. der Turbine gesteigert werden kann. Insbesondere kann die Anregbarkeit von Schwingungen durch die Ver- steifung der Laufbeschaufelung, d.h. aller Schaufelblätter, vermindert werden.
Als Faserwerkstoff sind verschiedenartige Fasern einsetzbar. Beispielsweise kann ein Band aus Glasfasern, Keramikfasern, Nylonfasern oder Aramidfasern eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist das Band jedoch aus Kohlenstofffasern ausgebildet. Diese sind industriell hergestellte Hochleistungsfasern mit besonderen Eigenschaften. So zeichnen sich Kohlenstofffasern, auch als Kohlefasern bezeichnet, unter anderem durch eine hohe Festigkeit, einen hohen Elastizitätsmodul, keine
Kriechneigung, eine gute Schwingungsdämpfung und eine geringe Materialermüdung aus. Ferner sind Kohlenstofffasern gekennzeichnet durch eine geringe Wärmeausdehnung.
In Verbindung mit einem Matrixwerkstoff, der den Faserwerkstoff, insbesondere die Kohlenstofffasern, durch Infiltration in diesen umgibt, entsteht ein Faserverbundwerkstoff mit hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten. Die Fasern des Faserwerkstoffs werden dabei durch Adhäsiv- oder Kohä- sivkräfte an den Matrixwerkstoff gebunden.
Bevorzugt ist ein zuvor beschriebenes Verfahren, bei dem als Matrixwerkstoff ein Kunststoff, insbesondere ein Harz, in den Faserwerkstoff des aufgewickelten Bandes infiltriert wird. Durch das Infiltrieren derartiger Kunststoffe bzw. Harze in den Faserwerkstoff des aufgewickelten Bandes entsteht ein Faserverbundwerkstoff mit sehr hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten. Beispielsweise können ein Duroplast oder
ein Thermoplast in den Faserwerkstoff des aufgewickelten Bandes infiltriert werden.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem der Matrix- werkstoff durch Unterdruck in den Faserwerkstoff infiltriert wird. Beispielsweise kann eine Form bzw. ein Gehäuse um den aufgewickelten Faserwerkstoff gelegt werden, der diesen luftdicht abdichtet. Anschließend kann durch geeignete Werkzeuge in dem abgedichteten Bereich ein Unterdruck erzeugt werden. Nach der Erzeugung des Unterdrucks wird der Matrixwerkstoff in den abgedichteten Bereich eingeführt, so dass dieser sich aufgrund des Unterdrucks gleichmäßig mit dem Faserwerkstoff vermischt. Durch den Unterdruck kann der Matrixwerkstoff besser mit dem Faserwerkstoff, insbesondere mit den Kohlenstoff- fasern, vermischt werden. Dabei fließt der flüssige Matrixwerkstoff in die Hohlräume zwischen den Fasern des Faserwerkstoffes. Durch diese sehr effektive Vermischung des Matrixwerkstoffes mit dem aufgewickelten Faserwerkstoff wird ein Faserverbundwerkstoff erhalten, der nach dem Aushärten ein sehr festes, steifes und gut schwingungsdämpfendes Deckband der Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe bildet.
Bevorzugt kann eine Form bzw. ein kanalförmiges Gehäuse bereits beim Aufwickeln des Faserwerkstoffbandes an den Seiten der Schaufelblätter angelegt werden, so dass das Faserwerkstoffband zentriert an den stirnseitigen freien Enden der Schaufelblätter angelegt werden kann. So kann die Form beispielsweise zwei Scheiben- oder ringförmige Elemente aufweisen, die an die Längsseiten der Schaufelblätter formschlüssig angelegt werden. Diese stehen dabei an den freien Enden der Schaufelblätter, d.h. an den Schaufelblattspitzen, an beiden Seiten etwas über, so dass diese einen Kanal bilden, in den das Faserwerkstoffband beim Aufwickeln eingelegt werden kann. Dies gewährleistet eine Zentrierung des Faserwerkstoffbandes beim Aufwickeln.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Turbinenschaufelblätter an ihren stirnseitigen freien Enden jeweils eine Mulde auf-
weisen, in die das Faserwerkstoffband beim Aufwickeln eingelegt wird. D.h., das Faserwerkstoffband wird in die Mulden, auch als Bett bezeichnet, an den stirnseitigen Enden der Schaufelblätter eingelegt, um besser an den Enden positio- niert bzw. zentriert zu werden. Das Faserwerkstoffband wird dadurch beim Aufwickeln automatisch in den Mulden an den stirnseitigen freien Enden der Schaufelblätter zentriert, so dass ein seitliches Verrutschen des Faserwerkstoffbandes an den stirnseitigen Enden der Schaufelblätter verhindert wird. Vorteilhaft dabei ist, dass das aufgewickelte Faserwerkstoffband seitlich durch die Wandungen bzw. Schenkel der Mulden, insbesondere während des Betriebes der Laufbeschaufelung, gehalten wird. Die Mulde bzw. das Bett an dem stirnseitigen freien Ende eines Schaufelblattes wird vorteilhafterweise di- rekt bei der Herstellung des Schaufelblattes erzeugt.
Ferner ist es bevorzugt, wenn nach dem Aufwickeln des Faserwerkstoffbandes in die Mulden der Schaufelblätter das Faserwerkstoffband mit einer Folie luftdicht abgedeckt wird, wenn anschließend ein Unterdruck in dem abgedeckten Bereich erzeugt wird und wenn nach dem Erreichen eines bestimmbaren Unterdrucks der Matrixwerkstoff in den mit Unterdruck beaufschlagten Bereich zur Infiltration in den Faserwerkstoff eingebracht wird. Die Folie wird radial umlaufend an den stirn- seitigen freien Enden der Schaufelblätter angelegt, so dass das aufgewickelte Faserwerkstoffband luftdicht abgeschlossen wird. Dabei wird die Folie vorteilhafterweise an die Kanten der Mulden der Schaufelblätter angelegt. Nach der luftdichten Abdichtung des aufgewickelten Faserwerkstoffbandes wird mit- tels einer entsprechenden Vorrichtung, beispielsweise einer Pumpe, ein Unterdruck in dem abgedichteten Bereich, in dem das Faserwerkstoffband einliegt, erzeugt. Dies kann durch Öffnungen in der Folie erfolgen. Die Größe des Unterdrucks kann dabei frei bestimmt werden. Auch der Zwischenraum zwi- sehen den Enden zweier Schaufelblätter wird durch die Folie oder eine geeignete Form abgedeckt. Nach dem Erreichen eines bestimmten Unterdrucks wird der flüssige Matrixwerkstoff in den mit Unterdruck beaufschlagten Bereich zur Infiltration in
den Faserwerkstoff eingebracht, so dass der Matrixwerkstoff sich mit dem Faserwerkstoff vermischt. Nach einem anschließenden Aushärteprozess, kann die Folie wieder entfernt werden und der entstandene Faserverbundwerkstoff bildet das Deckband der Laufbeschaufelung, wobei das Deckband fest mit den Spitzen der Schaufelblätter der Laufbeschaufelung verbunden ist. Im Lichte der Erfindung kann die Folie auch als ein formstabiles Gehäuse ausgebildet sein.
Ferner kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass das Fa- serwerkstoffband bereits beim Aufwickeln auf die stirnseitigen freien Enden der Schaufelblätter mit dem Matrixwerkstoff versehen ist. Hierdurch ist bereits beim Aufwickeln des Fa- serwerkstoffbandes auf die stirnseitigen Enden der Schaufel- blätter der Matrixwerkstoff mit dem Faserwerkstoff vermischt. Insbesondere dadurch, dass das Faserwerkstoffband in vielen Lagen um die Enden der Schaufelblätter gewickelt wird, befindet sich bereits in jeder Lage der Matrixwerkstoff. Da die mit dem Matrixwerkstoff getränkten Fasern unter Vorspannung aufgewickelt werden, wird überschüssiger Matrixwerkstoff nach außen gepresst. Durch eine nachträgliche Bearbeitung, beispielsweise durch eine Überdrehung der Laufbeschaufelung, wird der nach außen gepresste Matrixwerkstoff entfernt. Ist nicht ausreichend Matrixwerkstoff vorhanden, kann durch ein anschließendes Abdichten des aufgewickelten Bandes und durch das Anlegen eines Unterdrucks in dem abgedichteten Bereich, sich der Matrixwerkstoff sehr gleichmäßig mit den Fasern des Faserwerkstoffbandes verbinden. Zusätzlich kann weiterer flüssiger Matrixwerkstoff in den abgedichteten Bereich in- filtriert werden, so dass ausreichend Matrixwerkstoff das Fa- serwerkstoffband umgibt.
Ferner kann vorgesehen werden, dass an dem entstandenen Deckband aus Faserverbundwerkstoff Dichtspitzen befestigt werden. Diese können nachträglich an dem entstandenen Deckband befestigt werden. So können nachträglich an der Außenseite des Deckbandes Nute eingedreht werden, an denen die Dichtspitzen, insbesondere in Form eines Dichtspitzenbandes, befestigt wer-
den. Alternativ dazu können die Dichtspitzen auch während des Infiltrierens des Matrixwerkstoffes in den Faserwerkstoff eingebracht oder erzeugt werden. Die Dichtspitzen können aus Kunststoff, insbesondere aus einem Harz, aber auch aus Metall oder einem anderen günstigen Material ausgebildet sein. Beispielsweise können die Dichtspitzen Thermoplast oder Duroplast aufweisen. Die Dichtspitzen werden im Nachhinein und ggf. nach einem Temperprozess zur Maßhaltigkeit überdreht. Es ist auch möglich die Dichtspitzen so auszuführen, dass sich durch kurzzeitiges Berühren mit einem Stator das Spiel zwischen den Dichtspitzen und dem Stator selbstständig einstellt. D.h., das Spiel der Dichtspitzen stellt sich durch Materialabrieb am Stator und/oder an den Dichtspitzen selbst ein .
Durch den Einsatz eines flexiblen Faserwerkstoffbandes und eines entsprechenden Matrixwerkstoffes, wie eines Harzes, ist das Erzeugen/Anbringen eines Deckbandes, wie es bei kleineren Laufbeschaufelungen verwendet wird, auch bei größeren Laufbe- schaufelungen möglich. Dies hat eine Steigerung des Wirkungsgrades der Stufe einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, zur Folge.
Das entstandene Deckband aus einem Faserverbundwerkstoff dämpft Schwingungen der Schaufelblätter und damit der Laufbeschaufelung und gibt somit das Potential, die Schaufelblätter beispielsweise dünner auszulegen, als aus Schwingungsstabili- tätsgründen bislang, insbesondere bei größeren Laufbeschaufelungen, möglich ist. Auf zusätzliche Koppelelemente, wie Kop- peldrähte, zwischen den Schaufelblättern kann verzichtet werden, was wiederum den Wirkungsgrad der Stufe einer Turbine steigert. Weiterhin wird eine Anregbarkeit von Schwingungen durch die Versteifung aller Schaufelblätter vermindert.
Alternativ zu dem Verfahren gemäß des ersten Aspektes der Erfindung, wird gemäß des zweiten Aspektes der Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren zum Anbringen/Herstellen eines geschlossenen Deckbandes an die/den stirnseitigen freien En-
den von nebeneinander angeordneten Schaufelblättern einer Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine gelöst, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein geschlossener Ring aus einem Faserverbundwerkstoff durch einen Aufschrumpfprozess auf die stirnseitigen Enden der Schaufelblätter angebracht wird. D.h., der geschlossene Ring aus einem Faserverbundwerkstoff kann einerseits auf die stirnseitigen Enden der Schaufelblätter der Laufbeschaufelung aufgeschrumpft werden. Bei diesem Verfahren wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass sich Materialien bei Erreichung einer bestimmten Temperatur ausdehnen oder zusammenziehen. Bei diesem Verfahren werden das Deckband und die Schaufelblätter nicht passgenau angefertigt, sondern entweder das Deckband geringfügig zu klein oder die Schaufelblätter ge- ringfügig zu groß gefertigt, so dass sie bei Normaltemperatur nicht miteinander verbunden werden können. Durch Abkühlung des vorgefertigten Deckbandes dehnt sich dieses aus und wird nach der Ausdehnung auf die stirnseitigen freien Enden der Schaufelblätter gezogen. Beim Erwärmen auf die normale Umge- bungstemperatur schrumpft das Deckband zusammen und presst sich dadurch auf die Enden der Schaufelblätter auf und bleibt so fest mit diesem verbunden. Zusätzlich zu der Abkühlung des Deckbandes können die Turbinenschaufelblätter je nach Material gekühlt oder erwärmt werden, so dass sich diese etwas zu- sammenschrumpfen . Die Schaufelblätter dehnen sich bei einer Abkühlung oder Erwärmung auf die Umgebungstemperatur wieder aus, so dass diese sich an das aufgezogene Deckband pressen. Da ein kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoff einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe Null bzw. kleiner Null aufweist, kann durch Abkühlung des Deckbandes aus kohlenstofffaserverstärktem Verbundwerkstoff der Durchmesser des Deckbandes etwas vergrößert werden. Zusätzlich kann durch eine entsprechende Temperaturführung die Laufbeschaufelung etwas verkleinert werden, so dass das Deckband leichter aufge- schoben werden kann.
Gemäß eines dritten Aspektes der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Anbringen/Herstellen eines geschlos-
senen Deckbandes an die/den stirnseitigen freien Enden von nebeneinander angeordneten Schaufelblättern einer Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine gelöst, bei dem ein geschlossener Ring aus einem Faserverbundwerkstoff, ins- besondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff, auf die stirnseitigen Enden der Schaufelblätter aufgeklebt wird.
Dabei können die Oberfläche der stirnseitigen Enden der Schaufelblätter bestrahlt und/oder speziell aktiviert werden. Um das Deckband an die Schaufelblattspitzen anzukleben, werden die Spitzen der Schaufelblätter und/oder die Innenseite des Deckbandes mittels Plasmaspritzen, mechanischem Aufrauhen und/oder Beschichten aktiviert. Durch Aufbringen von Kleb- stoff auf eine oder beide Komponenten und anschließendes Zusammenfügen wird die Verbindung erzeugt.
Besonders bevorzugt wird der geschlossene Ring auf geneigt zu der Drehachse der Turbinenschaufel verlaufende stirnseitige freie Enden der Turbinenschaufelblätter angeordnet. D.h., die freien Enden der Turbinenschaufelblätter verlaufen vorteilhafterweise geneigt zu den Längsachsen der Turbinenschaufelblätter bzw. zu der Ebene, in der die Turbinenschaufelblätter angeordnet sind. Die Neigung ermöglicht einer bessere Montage des Ringes. Insbesondere wird der Dampfdruck genutzt, um den Ring auf die Schaufelblattspitzen zu drücken.
Bevorzugt weist der geschlossene Ring bei dem Anbringen des Ringes gemäß des zweiten oder dritten Aspektes der Erfindung bereits Dichtspitzen auf. Dadurch müssen die Dichtspitzen nicht nachträglich an dem entstehenden Deckband angeordnet werden. Die Dichtspitzen sind bevorzugt aus Harz, insbesondere aus einem Thermoplast oder aus einem Duroplast, oder aus Metall ausgebildet.
Gemäß eines weiteren Verfahrensschrittes können die Dichtspitzen zur Maßhaltigkeit überdreht werden. Insbesondere können die Dichtspitzen nach einem Temperprozess zur Maßhaltig-
keit überdreht werden. Vorteilhafterweise wird der Deckbandring auf einer geeigneten Drehmaschine positioniert und auf Maß abgedreht .
In einem alternativen Verfahrensschritt kann das Spiel der Dichtspitzen zu einem die Turbinenschaufel umgebenden Stator bevorzugt durch Materialabrieb am Stator und/oder an den Dichtspitzen eingestellt werden. Dabei berühren sich die Dichtspitzen und der Stator kurzzeitig.
Bevorzugt ist ferner ein Verfahrensschritt der dadurch gekennzeichnet ist, dass vor dem Aufbringen des Faserwerkstoffbandes bzw. des geschlossenen Ringes auf die stirnseitigen Enden der Schaufelblätter eine umlaufende oder unterbrochen umlaufende dämpfende Zwischenschicht an den stirnseitigen Enden der Schaufelblätter angebracht wird. Diese Zwischenschicht dient als Dämpfer zwischen den Schaufelblättern und dem Deckband. D.h., die Zwischenschicht dämpft die Schwingungen der Schaufelblätter. Diese können einzeln oder aber zu- sammen in Schwingungen versetzt werden. Durch die Zwischenschicht, die bevorzugt aus einem Gummi ausgebildet ist, können Schwingungen einzelner Schaufelblätter, aber auch Schwingungen mehrerer Schaufelblätter gedämpft werden. Die Zwischenschicht ist bevorzugt als ein geschlossener elastischer Ring ausgebildet, der durch Auseinanderdehnung auf die stirnseitigen freien Enden aufgezogen werden kann. Die Dämpfung der Schwingungen eines Schaufelblattes bzw. mehrerer Schaufelblätter erfolgt aufgrund der Reibung der stirnseitigen Enden der Schaufelblätter und der Zwischenschicht sowie des auf die Zwischenschicht aufgebrachten Deckbandes und der Zwischenschicht. Dabei kann das Deckband nach einem der zuvor geschilderten Verfahren auf die Zwischenschicht aufgebracht werden. Bevorzugt weisen die stirnseitigen freien Enden der Schaufelblätter jeweils eine Mulde auf, in deren Bodenbereich die Zwischenschicht eingebracht wird. Die Zwischenschicht ermöglicht in einem gewissen Maße eine Entwindung der Schaufelblätter .
Die Zwischenschicht kann aus verschiedenartigen Materialien ausgebildet sein. Denkbar sind Metalle, Kunststoffe oder Fasermaterialien. Besonders bevorzugt wird eine umlaufende oder unterbrochen umlaufende dämpfende Zwischenschicht aus einem elastischen Material, insbesondere aus einem Gummi, zwischen den stirnseitigen freien Enden der Schaufelblätter und dem Deckblatt angeordnet. Alternativ zur Ausführung in Form einer umlaufenden Schicht kann die Dämpfungslage auch abschnittsweise aufgebracht werden, beispielsweise mit Abschnitten für jede einzelne Schaufel oder für eine Mehrzahl von Schaufeln. Die Abschnitte können weiterhin so gestaltet werden, dass ein Formschluss mit den Schaufelblattspitzen erreicht wird, beispielsweise in Form von „Schuhen", in die Enden der Schaufeln eingreifen .
Gemäß dem letzten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe für eine Turbine, aufweisend eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Schaufelblätter, wobei an den stirnseitigen freien Enden der Schau- felblätter ein geschlossenes Deckband aus einem Faserverbundwerkstoff angeordnet ist, gelöst. Besonders bevorzugt ist an den stirnseitigen Enden der Schaufelblätter jeweils eine Mulde zur Aufnahme des Deckbandes vorgesehen.
Das Deckband der Laufbeschaufelung wurde vorteilhafterweise durch ein Verfahren nach einem der ersten drei Aspekte an den stirnseitigen Enden der Schaufelblätter angebracht.
Die Schaufelblätter sind bevorzugt aus einem Faserverbund- werkstoff und insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff ausgebildet. Auf die stirnseitigen freien Enden der Schaufelblätter der Laufbeschaufelung ist das Deckband aus einem Faserverbundwerkstoff, der insbesondere Fasern aus Kohlenstoff aufweist, angeordnet. An den stirnseitigen freien Enden der Schaufelblätter, den sogenannten Schaufelblattspitzen, die bevorzugt eine Mulde aufweisen, ist das Deckband aus Faserverbundwerkstoff angebracht.
Durch Einsatz von Schaufelblättern aus einem Faserverbundwerkstoff ist das Anbringen eines ebensolchen Deckbandes möglich. Dies hat eine Steigerung des Wirkungsgrades der Stufe einer Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, zur Folge. Das Deckband dämpft beim Betrieb der Turbine, d.h. bei einer Drehung des beschaufelten Rotors, auftretende Schwingungen der Laufbeschaufelung. Durch das zusätzlich vorgesehene Deckband können die Schaufelblätter beispielsweise dünner und aerodynamisch optimaler ausgelegt werden, als aus Schwingungsstabi- litätsgründen sonst möglich wäre. Auf zusätzliche Koppelelemente zur Dämpfung kann bei derartigen Laufbeschaufelungen verzichtet werden, was wiederum den Wirkungsgrad der Turbine steigert. Weiterhin wird eine Anregbarkeit von Schwingungen durch die Versteifung der gesamten Laufbeschaufelung und da- mit der Turbinenstufe vermindert.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Schaufelblattspitze mit Mulde zur Aufnahme eines Deckbandes;
Figur 2 eine im Vergleich zu Fig. 1 um 90° gedrehte Schaufel- blattspitze ;
Figur 3 eine Schaufelblattspitze mit Deckband und Dichtspitzen;
Figur 4 eine im Vergleich zu Fig. 3 um 90° gedrehte Schaufelblattspitze mit Dichtspitzen;
Figur 5 eine Schaufelblattspitze mit schrägem stirnseitigen
Ende;
Figur 6 eine Schaufelblattspitze mit schrägem stirnseitigen
Ende und Deckband mit Dichtspitzen;
Figur 7 eine Draufsicht auf einige Schaufelblätter und ein an den Schaufelblättern angeordnetes Deckband.
Die Fig. 1 zeigt das freie Ende bzw. die Schaufelblattspitze eines Schaufelblattes 3. Das Schaufelblatt 3 weist ein T- förmig ausgebildetes Ende auf. In dieser Darstellung wird das Schaufelblatt 3 quer zur Strömungsrichtung des Dampfes innerhalb einer Turbine betrachtet. Das stirnseitige freie Ende 2 des Schaufelblattes 3 ist in dieser Ausführungsform senkrecht zu der Längsachse 8 des Schaufelblattes 3 angeordnet. An dem stirnseitigen freien Ende 2 weist das Schaufelblatt 3 eine Mulde 4 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Deckbandes 1 auf. Die Mulde 4 kann verschiedenartig ausgebildet sein. So kann die Mulde 4 beispielsweise einen geradlinig ausgebilde- ten Boden und senkrecht zu dem Boden angeordnete Schenkel aufweisen, deren freie Enden durch jeweils eine Kante 6 gebildet werden. Alternativ dazu kann die Mulde 4 gebogene Übergänge zwischen dem Boden und den Schenkel aufweisen, wie in Fig. 1 dargestellt. Der Boden, aber auch die Schenkel der Mulde 4 können aufgerauht sein. Die Fig. 1 zeigt eine
Schnittdarstellung A-A durch ein Ende eines Schaufelblattes 3, wie in Fig. 2 dargestellt. D.h., in der Fig. 2 ist eine im Vergleich zu Fig. 1 um 90° gedrehte Schaufelblattspitze eines Schaufelblattes 3 dargestellt.
Die Fig. 3 und 4 entsprechen in ihren Ansichten den Fig. 1 bzw. 2, nur dass an dem stirnseitig freien Ende 2 des Schaufelblattes 3 das Deckband 1 befestigt ist. Das Deckband 1 und die Laufbeschaufelung sind bevorzugt beide aus einen Faser- Verbundwerkstoff, der insbesondere Kohlenstofffasern aufweist, ausgebildet. In der Fig. 3 liegt das Deckband 1 in der Mulde 4 ein. Aus dem Deckband 1 ragen die Dichtspitzen 5 heraus. Das Deckband 1 liegt form- und kraftschlüssig in der Mulde 4 ein. Bevorzugt ist das Deckband 1 in der Mulde 4 durch ein Verfahren gemäß des ersten Aspektes der Erfindung erzeugt worden. Das Deckband 1 ist bevorzugt plan mit den Kanten 6 der Mulde 4 ausgebildet. Dies gewährleistet, dass das Deckband 1 durch die Mulde 4, insbesondere durch die
seitlichen Schenkel der Mulde 4 seitlich gehalten wird, wenn die Laufbeschaufelung in Betrieb ist. Lediglich die Dichtspitzen 5 ragen über die Kanten 6 hinaus, siehe auch Fig. 4. Die Dichtspitzen 5 dienen zur Abdichtung zu dem die Laufbe- schaufelung umgebenden Stator einer Turbine. Die Dichtspitzen 5 können mehrere Dichtspitzenbänder aufweisen.
In der Fig. 5 ist eine Schaufelblattspitze eines Schaufelblattes 3 ohne Deckband 1 dargestellt. Das stirnseitige Ende 2 des Schaufelblattes 3 ist schräg zur Längsachse des Schaufelblattes 3 angeordnet. Dabei ist das stirnseitige freie Ende 2 des Schaufelblattes 3 zur DampfStrömungsrichtung 7 geneigt. An dem schräg verlaufenden stirnseitigen freien Ende 2 des Schaufelblattes 3 ist bevorzugt ein Deckband 1, wie in Fig. 6 dargestellt, kraftschlüssig oder stoffschlüssig befestigt. An ein Schaufelblatt 3, wie in Fig. 5 dargestellt, wird vorteilhafterweise ein vorgefertigtes Deckband 1 aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch Aufschrumpfen oder Aufkleben des Deckbandes 1 erfolgen. Das vorgefertigte Deckband 1 weist bevorzugt eine Seitenfläche auf, die der Neigung des stirnseitigen freien Endes 2 des Schaufelblattes 3 entspricht.
Zwischen dem stirnseitigen freien Ende 2 des Schaufelblattes 3 und dem aufzubringenden Deckband 1 kann eine gut dämpfende Zwischenschicht, die sogenannte Dämpferschicht, eingebracht werden. Diese ist bevorzugt aus einem Gummi ausgebildet.
Die Dichtspitzen 5 können in die Mulde 4 gemäß Fig. 1 eingelegt sein oder beim Infiltrationsprozess des Matrixwerkstoffes in ein in die Mulde 4 aufgewickeltes Band aus einem Faserwerkstoff erzeugt werden. Alternativ können die Dichtspitzen 5 im fertigen Deckband bereits vorgefertigt sein. Die Dichtspitzen 5 sind dabei aus Kunststoff, Harz, CFK, Thermoplast oder einem ande- ren günstigen Material ausgebildet. Die Dichtspitzen 5 werden im Nachhinein und nach eventuellem Temperprozess zur Maßhaltigkeit überdreht. Es ist auch möglich, die Dichtspitzen 5 so auszuführen, dass sich durch kurzzeitiges Berühren mit dem
Stator das Spiel selbstständig einstellt. Andererseits ist es auch möglich Stahl-Dichtspitzen 5 in das Deckband 1 einzusetzen .
In der Fig. 7 ist eine Draufsicht auf vier Schaufelblätter 3 und ein an den Schaufelblättern 3 angeordnetes Deckband 1 dargestellt. Das Deckband 1 liegt an den freien Endes der Schaufelblätter 3 an. Die Breite des Deckbandes 1 kann variieren .