EP2985420A1 - Laufschaufel für eine dampfturbine - Google Patents

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EP2985420A1
EP2985420A1 EP15167246.6A EP15167246A EP2985420A1 EP 2985420 A1 EP2985420 A1 EP 2985420A1 EP 15167246 A EP15167246 A EP 15167246A EP 2985420 A1 EP2985420 A1 EP 2985420A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
erosion
blade
structured surface
protection
erosion protection
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15167246.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Scheunert
Heinrich Zeininger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2985420A1 publication Critical patent/EP2985420A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/512—Hydrophobic, i.e. being or having non-wettable properties

Definitions

  • the invention relates to a blade for a steam turbine according to the preamble of independent claim 1 and erosion protection for a blade of a steam turbine according to claim 5 or 6.
  • Blades of low pressure stages of steam turbines have very large diameters and thus very high peripheral speeds, so that drops impinging on a moving blade cause strong drop impact erosions on the blade surface.
  • the steam that is to say the operating medium of the steam turbine
  • partly strong condensation occurs.
  • the condensate settles as liquid film on the guide vanes of the steam turbine.
  • the liquid film is subsequently moved by the vapor flow to the vane trailing edge and dissolves there in the form of drops.
  • the drops of water which have a mean droplet diameter of around 100 ⁇ m, can not be accelerated from the steam flow to the steam velocity due to their high density and therefore strike the blade edge at speeds of around 500 m / s. As a result, they cause strong drop impact erosion, which leads in a short time to the complete destruction of the blade edges.
  • the WO1998 / 014692A1 discloses a vane with a cavity, which is supplied via a fluid line superheated steam.
  • the hot steam ensures heating of the vane and causes so that the condensate can evaporate and so a condensate droplet formation at the trailing edge of the vane can be avoided or at least significantly reduced.
  • hollow vanes are expensive to manufacture and expensive.
  • the DE19546008A1 discloses a blade having in the region of its leading edge and its back surface increased relative to the other surface roughness. Due to the increased surface roughness, a water film forms in this area, which has a dampening effect on the water droplets impinging on the surface. Upon impact of the droplets on the liquid film, however, again liquid droplets are torn out of the liquid film, so that only a limited erosion protection is ge.rmony.
  • Object of the present invention is therefore to provide a blade for a steam turbine, which has an improved erosion protection over the prior art. It is another object of the present invention to provide such erosion protection.
  • the blade according to the invention for a steam turbine which at least partially has erosion protection for protection against drop impact erosion, is characterized in that the erosion protection has a structured surface, wherein the individual structural elements of the structured surface are arranged at a distance from one another are that drops with a mean expected droplet diameter T DM impinge on at least two adjacent structural elements.
  • T DM mean expected droplet diameter
  • an advantageous embodiment of the invention provides that the structured surface of the erosion protection has an aspect ratio A> 10 and the depth of the structure T> 1mm.
  • the aspect ratio is the ratio of the depth (height) of a structure to its smallest lateral extent.
  • A> 10 and a depth of the structure of T> 1 mm it is ensured that droplets with a droplet diameter of 100 ⁇ m in each case impinge on at least two edges of two adjacent structural elements and are thereby split, so that the pulse entry into the surface of the blades is significantly reduced.
  • the depth of the structure of T> 1mm is sufficient, so that the drop can not hit the bottom of the structure before dividing and there can provide for the destruction of the surface.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the aspect ratio A is preferably> 20 mm. Due to the larger aspect ratio A, the droplet can impinge on more than two edges of the structural elements and thus be split into smaller parts, whereby the impulse entry of the impinging droplet is further reduced.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the structured surface has a regular structure, in particular a mosaic or line structure.
  • the regular structure is technically easy to set up and ensures that the entire structured surface is designed so that all drops that hit the erosion protection are cut.
  • the line or mosaic structures can be produced inexpensively, for example, by means of additive manufacturing processes, such as laser sintering, and also applied to existing surfaces. Retrofitting erosion control at the edges of low pressure steam turbine blades is therefore easily possible and would easily extend the life of the blade and maintenance intervals.
  • the erosion protection according to the invention is characterized in that the erosion protection is an integral part of the rotor blades. This has the advantage that the erosion protection is firmly and captively connected to the blade and can not solve in operation which can lead to damage to the steam turbine.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the erosion protection is designed as a separate erosion protection component, which is connectable to the moving blade.
  • the training of erosion protection as a separate erosion protection component has the advantage that when erosion protection erosion this can be renewed separately and not the entire blade must be replaced. As a result, a more cost-effective maintenance is possible.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the erosion protection has a hard material coating. As a result, the material removal of the surface is again significantly reduced.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the surface of the erosion protection is hydrophobic.
  • the hydrophobic formation has the effect that no water can collect in the structured surface, whereby the effect of the structured surface, namely the division of incident liquid drops on the edges of the structural elements, is reduced.
  • FIG. 1 shows a rotor blade 1 for a steam turbine, which has at the front edge of the blade profile erosion protection 2 for protection against drop impact erosion.
  • the erosion protection 2 has a structured surface 3.
  • the structured surface 3 is composed of individual structural elements 4, wherein the individual structural elements 4 of the structured surface 3 are arranged at a distance from one another such that drops having a mean expected diameter T DM impinge on at least two adjacent structural elements 4.
  • T DM mean expected diameter
  • the structured surface 3 of the erosion protection 2 preferably has a regular structure, in particular a mosaic or line structure. Regular structures can be realized more technically. In principle, however, irregular structures in the structured surface 3 are also possible.
  • the line or mosaic structures can be applied cost-effectively to existing surfaces, for example by means of additive manufacturing processes such as selective laser sintering. As a result, a retrofitting of already in operation blades 1 is possible. By the subsequent attachment of erosion protection 2 on the blade 1, the life of the blade and the maintenance interval can be significantly increased even with existing blades.
  • FIG. 2 shows a detailed view of the structured surface 3 from FIG. 1 ,
  • the structured surface 3 consists of a multiplicity of individual structural elements 4, which are regularly spaced from one another.
  • the structural elements 4 consist of individual cuboid elements.
  • the individual structural elements 4 are arranged at a distance from one another such that the expected mean droplet diameter T DM always impinges on at least two adjacent structural elements 4.
  • the depth / height of the structural elements 4 must be selected such that a sufficient depth / height relative to the mean droplet diameter T DM is present.
  • the ratio of the depth / height of a structure to its smallest lateral extent is also referred to as the aspect ratio.
  • the structured surface 3 should have an aspect ratio A> 10 and preferably have a depth T> 1 mm. This ensures that at the expected average droplet diameters of 100 .mu.m, the droplets in each case impinges on at least two structural elements and is exploded on the structural elements in several small drops.
  • the depth of T> 1mm causes that the large drop does not occur even before the actual splashing into small drops on the bottom of the structured surface 3.
  • the impact energy can be reduced by more than 2/3 with a mean droplet diameter of 100 ⁇ m.
  • the aspect ratio A > 20. Due to the larger aspect ratio A, the liquid drop strikes more than two structural elements and is thus blown up into a plurality of even smaller drops, whereby the impact energy is further reduced.
  • the structured surface or the erosion protection 2 are preferably made hydrophobic. Due to the hydrophobic formation of the surface, no water can settle in the structured surface and thus form a liquid film, which reduces the function of the structured surface 3, namely the breaking up of the impinging liquid droplet.
  • structured surface 3 is only one embodiment of a possible structuring of the surface.
  • the structured surface should, because of the simpler manufacturing, preferably have a regular structure, in particular a mosaic or line structure.
  • FIG. 3 shows an alternative mosaic structure, wherein the structured surface 3 has individual structural elements 4, which are formed as a circular cylinder.
  • FIG. 4 has a line structure with a V-shaped profile. A more detailed view of this V-profile is shown in FIG. In the case of the line structure, the aspect ratio A results from the depth T of the V profile and the spacing between the tips of the respective V profiles (see FIG Fig. 5 ).
  • the advantage of a regular structure of the structured surface 3 is, above all, the simpler manufacture of the structure.
  • the line or mosaic structures can be produced in a simple manner by means of additive manufacturing processes, for example selective laser sintering, at low cost and applied to existing surfaces. This also makes it possible to retrofit blades with erosion protection. Retrofitting the blades significantly increases the service life and extends service intervals.
  • the invention also includes blades having erosion protection with irregular structures of the structured surface.
  • the structured surface is capable of disrupting the droplets impinging on the textured surface into smaller droplets so as to reduce the impact energy to the surface of the blade and thereby reduce erosion stress on the blade.
  • an erosion-stable and maintenance-free blade 1 can be constructed by the blade 1 according to the invention with erosion protection 2, which is formed by a structured surface 3.
  • erosion protection 2 which is formed by a structured surface 3.
  • Additive manufacturing processes also make it possible to retrofit a rotor blade with a structured surface as erosion protection.
  • the erosion resistance of the structured surface can be further increased by a hard coating and a hydrophobic surface.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (1) für eine Dampfturbine, welche zumindest bereichsweise ein Erosionsschutz (2) zum Schutz gegen Tropfenschlagerosion aufweist. Der Erosionsschutz (2) weist eine strukturierte Oberfläche (3) auf, wobei die einzelnen Strukturelemente (4) der strukturierten Oberfläche (3) so zueinander beabstandet angeordnet sind, dass Tropfen mit einem mittlerem zu erwartenden Tropfendurchmesser T DM auf zumindest zwei benachbarte Strukturelemente (4) auftreffen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie einen Erosionsschutz für eine Laufschaufel einer Dampfturbine nach Anspruch 5 oder 6.
  • Laufschaufeln von Niederdruckstufen von Dampfturbinen weisen sehr große Durchmesser und damit sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten auf, so dass Tropfen, die auf eine laufende Laufschaufel auftreffen, starke Tropfenschlagerosionen an der Laufschaufeloberfläche bewirken. Insbesondere bei Kondensationsturbinen, bei welchen der Dampf, das heißt das Betriebsmedium der Dampfturbine, bis zum Sattdampfzustand oder sogar bis in den Nassdampfbereich hinein entspannt werden, tritt teilweise starke Kondensation auf. Das Kondensat setzt sich dabei als Flüssigkeitsfilm auf den Leitschaufeln der Dampfturbine ab. Der Flüssigkeitsfilm wird nachfolgend von der Dampfströmung zur Leitschaufelhinterkante bewegt und löst sich dort in Form von Tropfen ab. Die Wassertropfen die einen mittleren Tropfendurchmesser von rund 100µm aufweisen, können aufgrund ihrer großen Dichte nicht vom Dampfstrom auf die Dampfgeschwindigkeit beschleunigt werden und schlagen deshalb mit Geschwindigkeiten von rund 500 m/s auf die Laufschaufelkante auf. Hierdurch verursachen sie starke Tropfenschlagerosion, welche in kurzer Zeit zur vollständigen Zerstörung der Laufschaufelkanten führt.
  • Um die Tropfenschlagerosion zu reduzieren, ist es bekannt den vorderen Bereich der Laufschaufel zu härten. Die gehärtete Oberfläche kann jedoch auch keinen dauerhaften Schutz gegen Tropfenschlagerosion gewährleisten.
  • Die WO1998/014692A1 offenbart eine Leitschaufel mit einem Hohlraum, welchem über eine Fluidleitung Heißdampf zuführbar ist. Der Heißdampf sorgt für eine Erwärmung der Leitschaufel und bewirkt so, dass das Kondensat verdampfen kann und so eine Kondensattröpfchenbildung an der Abströmkante der Leitschaufel vermieden oder zumindest deutlich vermindert werden kann. Hohlleitschaufeln sind jedoch aufwendig in der Fertigung und teuer.
  • Die DE19546008A1 offenbart eine Laufschaufel, welche im Bereich seiner Vorderkante und seiner Rückseite eine gegenüber der übrigen Oberfläche erhöhte Oberflächenrauigkeit aufweist. Durch die erhöhte Oberflächenrauigkeit bildet sich in diesem Bereich ein Wasserfilm aus, der eine dämpfende Wirkung auf die, auf die Oberfläche auftreffenden Wassertröpfchen hat. Beim Auftreffen der Tröpfchen auf den Flüssigkeitsfilm werden jedoch wiederum Flüssigkeitströpfchen aus dem Flüssigkeitsfilm herausgerissen, so dass nur ein eingeschränkter Erosionsschutz gewährleitet ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Laufschaufel für eine Dampfturbine bereitzustellen, welche einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Erosionsschutz aufweist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen solchen Erosionsschutz bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich der Laufschaufel durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Erosionsschutzes durch die Merkmale der Patentansprüche 5 und 6 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Laufschaufel für eine Dampfturbine, welche zumindest bereichsweise einen Erosionsschutz zum Schutz gegen Tropfenschlagerosion aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Erosionsschutz eine strukturierte Oberfläche aufweist, wobei die einzelnen Strukturelemente der strukturierten Oberfläche, so zueinander beabstandet angeordnet sind, dass Tropfen mit einem mittleren zu erwartenden Tropfendurchmesser TDM, auf zumindest zwei benachbarte Strukturelemente auftreffen. Beim Auftreffen des Wassertropfens auf die Kanten der strukturierten Oberfläche wird der Wassertropfen zerteilt und dadurch der Impulseintrag durch den Tropfen auf die Oberfläche deutlich reduziert. Bei einem Tropfen mit einem Tropfendurchmesser von 100µm würden beispielsweise weniger als 30% der ursprünglichen Aufprallenergie auf der Oberfläche ankommen. Die Erosionsbeständigkeit der Laufschaufel nimmt entsprechend der geringeren kinetischen Energie der kleineren Wassertropfen und des damit geringeren Impulses deutlich zu. Mit Werkstoffen, wie Stahl oder Titan, können dadurch erosionsstabile und wartungsfreie Laufschaufeln für Dampfturbinen aufgebaut werden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die strukturierte Oberfläche des Erosionsschutzes ein Aspektverhältnis A>10 aufweist und die Tiefe der Struktur T>1mm ist. Das Aspektverhältnis ist dabei das Verhältnis aus der Tiefe (Höhe) einer Struktur zu ihrer kleinsten lateralen Ausdehnung. Bei einem Aspektverhältnis A>10 und einer Tiefe der Struktur von T>1mm ist sichergestellt, dass Tropfen mit einem Tropfendurchmesser von 100µm in jedem Fall auf mindestens zwei Kanten zweier benachbarter Strukturelemente auftreffen und dabei zerteilt werden, so dass der Impulseintrag in die Oberfläche der Laufschaufeln deutlich reduziert wird. Die Tiefe der Struktur von T>1mm ist dabei ausreichend, so dass der Tropfen vor dem Zerteilen nicht auf den Grund der Struktur auftreffen kann und dort für eine Zerstörung der Oberfläche sorgen kann.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Aspektverhältnis A vorzugsweise >20mm ist. Durch das größere Aspektverhältnis A kann der Tropfen auf mehr als zwei Kanten der Strukturelemente auftreffen und so in kleinere Teile aufgespalten werden, wodurch der Impulseintrag des auftreffenden Tropfens weiter verringert wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die strukturierte Oberfläche eine regelmäßige Struktur, insbesondere eine Mosaik- oder Linien-Struktur, aufweist. Die regelmäßige Struktur lässt sich technisch einfach aufbauen und gewährleistet dass die gesamte strukturierte Oberfläche so ausgebildet ist, dass sämtliche auf den Erosionsschutz auftreffende Tropfen zerteilt werden. Die Linien- oder Mosaik-Strukturen können beispielsweise mittels additiver Fertigungsverfahren, wie dem Selekting Lasersintern, kostengünstig hergestellt und auch auf bestehende Oberflächen aufgebracht werden. Eine Nachrüstung eines Erosionsschutzes an den Kanten von Niederdruckdampfturbinen-Laufschaufeln ist daher einfach möglich und würde auf einfache Weise die Lebensdauer der Laufschaufel und die Wartungsintervalle verlängern.
  • Der erfindungsgemäße Erosionsschutz, zeichnet sich dadurch aus, dass der Erosionsschutz integraler Bestandteil der Laufschaufeln ist. Dies hat den Vorteil, dass der Erosionsschutz fest und unverlierbar mit der Laufschaufel verbunden ist und sich nicht im Betrieb lösen kann was zu Schäden an der Dampfturbine führen kann.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Erosionsschutz als separates Erosionsschutzbauteil ausgebildet ist, welches mit der laufschaufel verbindbar ist. Die Ausbildung des Erosionsschutzes als separates Erosionsschutzbauteil hat den Vorteil, dass bei einer Abnutzung des Erosionsschutzes dieses separat erneuert werden kann und nicht die gesamte Laufschaufel ausgetauscht werden muss. Hierdurch wird eine kostengünstigere Wartung ermöglicht.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Erosionsschutz eine Hartstoffbeschichtung aufweist. Hierdurch wird der Materialabtrag der Oberfläche noch einmal deutlich reduziert.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Oberfläche des Erosionsschutzes hydrophob ausgebildet ist. Die hydrophobe Ausbildung bewirkt, dass sich in der strukturierten Oberfläche kein Wasser sammeln kann, wodurch der Effekt der strukturierten Oberfläche, nämlich das Zerteilen von auftreffenden Flüssigkeitstropfen auf die Kanten der Strukturelemente, vermindert wird.
  • Insgesamt lässt sich somit feststellen, dass durch die erfindungsgemäße Laufschaufel und den erfindungsgemäßen Erosionsschutz, die Tropfenschlagerosion auf der Oberfläche der Laufschaufel deutlich verringern lässt. Hierdurch werden die Lebensdauer der Laufschaufel und das Wartungsintervall erheblich verlängert. Das Ausbilden eines Erosionsschutzes mit strukturierter Oberfläche lässt sich auch nachträglich an bestehenden Laufschaufeln von Dampfturbinen anbringen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1
    eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Laufschaufel;
    Figur 2
    eine Detailansicht einer strukturierten Oberfläche einer erfindungsgemäßen Laufschaufel;
    Figur 3
    eine Detailansicht einer anderen strukturierten Oberfläche einer erfindungsgemäße Laufschaufel;
    Figur 4
    eine Detailansicht einer weiteren Ausgestaltung einer strukturierten Oberfläche einer erfindungsgemäße Laufschaufel nach Figur 1 und
    Figur 5
    eine zweite Ansicht einer strukturierten Oberfläche nach Figur 4.
  • Die Zeichnungen zeigen jeweils stark vereinfachte und zum Teil schematische Darstellungen der Erfindung. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Figur 1 zeigt eine Laufschaufel 1 für eine Dampfturbine, welche an der Vorderkante des Schaufelprofils einen Erosionsschutz 2 zum Schutz gegen Tropfenschlagerosion aufweist. Der Erosionsschutz 2 weist eine strukturierte Oberfläche 3 auf. Die strukturierte Oberfläche 3 setzt sich aus einzelnen Strukturelementen 4 zusammen, wobei die einzelnen Strukturelemente 4 der strukturierten Oberfläche 3 so zueinander beabstandet angeordnet sind, dass Tropfen mit einem mittleren zu erwartenden Durchmesser TDM auf zumindest zwei benachbarte Strukturelemente 4 auftreffen. Beim Auftreffen des Flüssigkeitstropfens auf die benachbarten Strukturelemente 4 wird der Tropfen in mehrere kleinere Tropfen aufgesprengt. Aufgrund der geringeren Masse der kleineren Flüssigkeitstropfen nimmt die kinetische Energie des Tropfens ab und der Impuls welcher der Tropfen auf die Oberfläche der Laufschaufel ausübt, wird deutlich verringert. Je nach Ausbildung der strukturierten Oberfläche kann die ursprüngliche Aufprallenergie auf die Oberfläche um mehr als 2/3 reduziert werden. Bei Einsatz von Werkstoffen wie Stahl oder Titan können Erosionsstabile und wartungsfreie Laufschaufeln von Dampfturbinen hergestellt werden. Die strukturierte Oberfläche 3 des Erosionsschutzes 2 zeigt vorzugsweise eine regelmäßige Struktur, insbesondere eine Mosaik- oder Linienstruktur auf. Regelmäßige Strukturen können technisch leichter realisiert werden. Grundsätzlich sind aber auch unregelmäßige Strukturen bei der strukturierten Oberfläche 3 möglich. Die Linien- oder Mosaik-strukturen können dabei beispielsweise mittels additiver Fertigungsverfahren wie den selektiven Lasersintern, kostengünstig auch auf bestehende Oberflächen aufgebracht werden. Hierdurch ist auch ein Nachrüsten von bereits im Betrieb befindlichen Laufschaufeln 1 möglich. Durch das nachträgliche Anbringen eines Erosionsschutzes 2 auf die Laufschaufel 1, kann die Lebensdauer der Laufschaufel und das Wartungsintervall auch bei bestehenden Laufschaufeln deutlich erhöht werden. Eine weitere Erhöhung der Lebensdauer der Laufschaufeln kann durch das Aufbringen einer Hartstoffbeschichtung insbesondere im Bereich der strukturierten Oberfläche erzielt werden. Figur 2 zeigt eine Detailansicht der strukturierten Oberfläche 3 aus Figur 1. Die strukturierte Oberfläche 3 besteht aus einer Vielzahl einzelner Strukturelementen 4, die regelmäßig zueinander beabstandet sind. Die Strukturelemente 4 bestehen dabei aus einzelnen Quaderelementen. Die einzelnen Strukturelemente 4 sind so zueinander beabstandet angeordnet, dass die zu erwartenden mittleren Tropfendurchmesser TDM, immer auf zumindest zwei benachbarte Strukturelemente 4 auftreffen. Gleichzeitig muss die Tiefe/Höhe der Strukturelemente 4 so gewählt werden, dass eine hinreichende Tiefe/Höhe bezogen auf den mittleren Tropfendurchmesser TDM vorhanden ist. Das Verhältnis aus der Tiefe/Höhe einer Struktur zu ihrer kleinsten lateralen Ausdehnung wird auch als Aspektverhältnis bezeichnet. Die strukturierte Oberfläche 3 sollte ein Aspektverhältnis A>10 aufweisen und vorzugweise eine Tiefe T>1mm besitzen. Hierdurch ist gewährleistet, dass bei den zu erwartenden mittleren Tropfendurchmessern von 100µm, der Tropfen jeweils auf mindestens zwei Strukturelemente auftrifft und an den Strukturelementen in mehreren kleinen Tropfen aufgesprengt wird. Die Tiefe von T>1mm bewirkt dabei dass der große Tropfen nicht bereits vor dem eigentlichen Zersprengen in kleine Tropfen auf den Grund der strukturierten Oberfläche 3 auftritt. Bei einem Aspektverhältnis von A>10 und einer Tiefe der Struktur T>1mm kann die Aufprallenergie bei einem mittleren Tropfendurchmesser von 100µm um mehr als 2/3 reduziert werden. Hierdurch wird eine erosionsstabile und im Wesentlichen wartungsfreie Laufschaufel ermöglicht. Vorzugsweise ist das Aspektverhältnis A>20. Durch das größere Aspektverhältnis A trifft der Flüssigkeitstropfen auf mehr als zwei Strukturelemente und wird somit zu mehreren noch kleineren Tropfen aufgesprengt, wodurch die Aufprallenergie weiter reduziert wird. Die strukturierte Oberfläche bzw. der Erosionsschutz 2 sind vorzugsweise hydrophob ausgebildet. Durch die hydrophobe Ausbildung der Oberfläche kann sich kein Wasser in die strukturierte Oberfläche festsetzen und so einen Flüssigkeitsfilm bilden, welcher die Funktion der strukturierten Oberfläche 3, nämlich das Aufsprengen des auftreffenden Flüssigkeitstropfens, reduziert.
  • Die in Figur 2 dargestellte strukturierte Oberfläche 3 ist nur ein Ausführungsbeispiel für eine mögliche Strukturierung der Oberfläche. Die strukturierte Oberfläche sollte, wegen der einfacheren Fertigung, vorzugsweise eine regelmäßige Struktur, insbesondere eine Mosaik- oder Linienstruktur aufweisen.
  • Figur 3 zeigt beispielsweise eine alternative Mosaikstruktur, wobei die strukturierte Oberfläche 3 einzelne Strukturelemente 4 aufweist, die als Kreiszylinder ausgebildet sind.
  • Figur 4 weist eine Linienstruktur mit einem V-förmigen Profil auf. Eine detailliertere Ansicht dieses V-Profils ist in Figur 5 dargestellt. Bei der Linienstruktur ergibt sich das Aspektverhältnis A dabei aus der Tiefe T des V-Profils sowie dem Abstand der Spitzen der jeweiligen V-Profile (siehe Fig. 5).
  • Der Vorteil einer regelmäßigen Struktur der strukturierten Oberfläche 3 besteht vor allem in der einfacheren Fertigung der Struktur. Die Linien- oder Mosaikstrukturen können auf einfache Weise mittels additiver Fertigungsverfahren beispielsweise dem selektivem Lasersintern, kostengünstig hergestellt und auch auf bestehende Oberflächen aufgebracht werden. Hierdurch ist auch eine Nachrüstung von Laufschaufeln mit einem Erosionsschutz möglich. Durch das Nachrüsten der Laufschaufeln wird die Lebensdauer deutlich erhöht und die Wartungsintervalle verlängert. Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch Laufschaufeln mit einem Erosionsschutz mit unregelmäßigen Strukturen der strukturierten Oberfläche umfasst. Wichtig ist einzig und allein, dass die strukturierte Oberfläche dazu geeignet ist, die auf die strukturierte Oberfläche auftreffenden Tropfen in kleinere Tropfen zu zersprengen, um so die Aufprallenergie auf die Oberfläche der Laufschaufel zu verringern und damit die Erosionsbelastung für die Laufschaufel zu verringern. Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass durch die erfindungsgemäße Laufschaufel 1 mit einem Erosionsschutz 2, welcher durch eine strukturierte Oberfläche 3 ausgebildet wird, eine erosionsstabile und wartungsfreie Laufschaufel 1 aufgebaut werden kann. Durch additive Fertigungsverfahren ist auch eine Nachrüstung einer Laufschaufel mit einer strukturieren Oberfläche als Erosionsschutz möglich. Die Erosionsbeständigkeit der strukturierten Fläche kann durch eine Hartstoffbeschichtung und eine hydrophobe Oberfläche weiter erhöht werden.

Claims (8)

  1. Laufschaufel (1) für eine Dampfturbine, welche zumindest bereichsweise einen Erosionsschutz (2) zum Schutz gegen Tropfenschlagerosion aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Erosionsschutz (2) eine strukturierte Oberfläche (3) aufweist, wobei die einzelnen Strukturelemente (4) der strukturierte Oberfläche (3) so zueinander beabstandet angeordnet sind, dass Tropfen mit einem mittleren zu erwartenden Tropfendurchmesser TDM, auf zumindest zwei benachbarte Strukturelemente (4) auftreffen.
  2. Laufschaufel (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die strukturierte Oberfläche (3) ein Aspektverhältnis A >10 aufweist und die Tiefe der Struktur T > 1mm ist.
  3. Laufschaufel (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Aspektverhältnis A vorzugsweise >20 ist.
  4. Laufschaufel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die strukturierte Oberfläche (3) eine regelmäßige Struktur, insbesondere eine Mosaik- oder Linien-Struktur, aufweist.
  5. Erosionsschutz (2) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Erosionsschutz (2) integraler Bestandteil der Laufschaufel (1) ist.
  6. Erosionsschutz (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Erosionsschutz (2) als separates Erosionsschutzbauteil ausgebildet ist, welches mit der Laufschaufel (1) verbindbar ist.
  7. Erosionsschutz (2) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Erosionsschutz (2) eine Hartstoffbeschichtung aufweist.
  8. Erosionsschutz (2) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Erosionsschutzes (2) hydrophob ausgebildet ist.
EP15167246.6A 2014-07-31 2015-05-12 Laufschaufel für eine dampfturbine Withdrawn EP2985420A1 (de)

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EP15167246.6A Withdrawn EP2985420A1 (de) 2014-07-31 2015-05-12 Laufschaufel für eine dampfturbine

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