EP3293357A1 - Turbinenschaufelfuss mit beschichtung - Google Patents

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EP3293357A1
EP3293357A1 EP16187805.3A EP16187805A EP3293357A1 EP 3293357 A1 EP3293357 A1 EP 3293357A1 EP 16187805 A EP16187805 A EP 16187805A EP 3293357 A1 EP3293357 A1 EP 3293357A1
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EP
European Patent Office
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turbine blade
friction
filler
coating
blade root
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16187805.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mario Brockschmidt
Christopher ECKERT
Manuel Ettler
Vera Kristin FRANKE
Rene Höhner
Andrey Mashkin
Friedhelm Pohlmann
Guido Schmidt
Ralph Seybold
Christian Staubach
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP16187805.3A priority Critical patent/EP3293357A1/de
Publication of EP3293357A1 publication Critical patent/EP3293357A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3092—Protective layers between blade root and rotor disc surfaces, e.g. anti-friction layers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M103/00—Lubricating compositions characterised by the base-material being an inorganic material
    • C10M103/02—Carbon; Graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M103/00—Lubricating compositions characterised by the base-material being an inorganic material
    • C10M103/06—Metal compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M2201/00—Inorganic compounds or elements as ingredients in lubricant compositions
    • C10M2201/04—Elements
    • C10M2201/041—Carbon; Graphite; Carbon black
    • C10M2201/0413—Carbon; Graphite; Carbon black used as base material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10N—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS C10M RELATING TO LUBRICATING COMPOSITIONS
    • C10N2010/00—Metal present as such or in compounds
    • C10N2010/06—Groups 3 or 13
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10N—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS C10M RELATING TO LUBRICATING COMPOSITIONS
    • C10N2030/00—Specified physical or chemical properties which is improved by the additive characterising the lubricating composition, e.g. multifunctional additives
    • C10N2030/06—Oiliness; Film-strength; Anti-wear; Resistance to extreme pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10N—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS C10M RELATING TO LUBRICATING COMPOSITIONS
    • C10N2050/00—Form in which the lubricant is applied to the material being lubricated
    • C10N2050/14—Composite materials or sliding materials in which lubricants are integrally molded

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade, in particular steam turbine blade, in particular a low-pressure steam turbine blade, with a turbine blade root, with a coating on the turbine blade root, wherein the turbine blade root undergoes a frictional stress during operation.
  • the invention relates to a method for improving the friction properties between a turbine blade root, in particular a steam turbine blade root and a Schaufelfußnut.
  • Thermal turbomachines such as steam turbines, essentially comprise a rotatably mounted rotor and an inner or outer housing arranged around the rotor.
  • the rotor comprises a plurality of blades arranged circumferentially equidistantly at the surface. These turbine blades have turbine blade feet, which are introduced during assembly in so-called Schaufelfußnuten in the shaft and caulked there. Contact between the turbine blade root and the groove here is in the region of the so-called support flanks.
  • the combination of turbine blade root and groove is highly stressed with respect to stresses occurring during operation, in particular LCF (Low Cycle Fatigue) and HCF (High Cycle Fatigue) play an essential role here.
  • the choice of material partner influences the friction behavior between the contact partners and can therefore only be slightly influenced.
  • a specific adjustment of the coefficient of friction can influence the LCF and HCF stress of both contact partners in such a way that the contact partner with a higher load is relieved and the less loaded contact partner is more heavily loaded.
  • a targeted adjustment of the friction behavior could be done by coatings. During operation, high surface pressures occur on the supporting flanks. Due to these high surface pressures, it is to be expected that the coatings will change with regard to their friction behavior during operation. Thus, the initially set ideal friction behavior could be lost, which in the worst case could even reverse due to changes in the coating.
  • a turbine blade in particular steam turbine blade, in particular low-pressure steam turbine blade, with a turbine blade root, with a coating on the turbine blade root, wherein the turbine blade root is subjected to a frictional stress during operation, wherein the coating is formed such that the friction property is substantially constant.
  • the object is further achieved by a method for improving the friction properties between a turbine blade root, in particular a steam turbine blade root and a groove, wherein the turbine blade root is coated with a coating consisting of a matrix and a filler introduced into the matrix.
  • the invention achieves the above object, essentially by applying a coating.
  • the friction behavior is therefore influenced by a targeted coating.
  • this coating has a self-healing property with regard to its friction behavior. This means that the layer is able to guarantee consistent frictional properties over extended periods of operation.
  • a filler In order to be able to set the coefficient of friction over the layer, a filler must be introduced into the layer. Depending on whether a low or high coefficient of friction is to be set, the filler must have lubricating effect or increase the friction between the contact partners.
  • the self-healing property of the coating with regard to the friction behavior can be achieved by distributing the filler as finely as possible over the matrix of the coating.
  • the matrix itself should have as even as possible a removal over the life of the blade, so that there is a constant amount of filler between the friction partners at all times.
  • the friction property can be adjusted specifically and taken into account in the design and construction of the turbine blade feet.
  • the coating can be enabled to continuously regenerate with respect to the friction behavior even with partial removal.
  • the regenerative effect is based essentially on the presence of a corresponding lubricant or the friction-increasing agent at the contact surface between the friction partners.
  • this agent is continuously introduced from the coating into the area of the rubbing surfaces.
  • the friction coefficient is substantially constant.
  • a filler is introduced into the coating.
  • the coefficient of friction on the choice of the material of the filler is adjustable.
  • the filler graphite for a low coefficient of friction.
  • the filler has aluminum or an aluminum compound for a high coefficient of friction.
  • the distribution of the fillers in the coating is as uniform as possible.
  • the figure shows a section through an arrangement according to the invention.
  • the arrangement comprises a first friction partner 1.
  • This first friction partner 1 could for example be a groove in a shaft.
  • the first friction partner 1, a second friction partner 2 is arranged opposite.
  • the second friction partner 2 could be a turbine blade root, in particular a turbine blade root of a low-pressure steam turbine blade.
  • a self-healing layer 3 is applied on the second friction partner 2.
  • This self-healing coating 3 is formed such that the friction property is substantially constant.
  • the turbine blade root formed as a second friction partner 2 is subjected to a frictional stress.
  • the self-healing layer 3 comprises a matrix 4 as a base material.
  • a filler 5 is arranged as uniformly as possible.
  • This film of filler 7 is formed by the fact that between the first friction partner 1 and the surface 6 of the self-healing Layer 3 is a frictional stress, whereby the matrix 4 is slightly rubbed off and thereby filler 5 is released.
  • the content of the fillers 5 then forms a film of filler 7 along the surface 6 of the self-healing layer 3.
  • the filler 5 includes graphite.
  • the filler 5 includes aluminum or an aluminum compound.
  • the distribution of the fillers 5 is kept as uniform as possible in the coating.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbstheilende Schicht (3), die auf der Oberfläche (6) einer Turbinenschaufel aufgebracht wird, um das Reibungsverhalten zwischen dem Turbinenschaufelfuß und einer Schaufelfußnut möglichst konstant zu halten, wobei in der selbstheilenden Schicht (3) Füllstoffe (5) angeordnet sind, die in einer Matrix (4) eingebettet sind, wobei die Matrix (4) durch Abrieb die Füllstoffe (5) freisetzt und ein Film aus Füllstoff (7) sich zwischen der selbstheilenden Schicht (3) und der Nut ausbildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere Dampfturbinenschaufel, ganz insbesondere eine Niederdruckdampfturbinenschaufel, mit einem Turbinenschaufelfuß, mit einer Beschichtung auf dem Turbinenschaufelfuß, wobei der Turbinenschaufelfuß im Betrieb einer Reibbeanspruchung unterliegt.
  • Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Reibeigenschaften zwischen einem Turbinenschaufelfuß, insbesondere einem Dampfturbinenschaufelfuß und einer Schaufelfußnut.
  • Thermische Strömungsmaschinen wie beispielsweise Dampfturbinen umfassen im Wesentlichen einen drehbar gelagerten Rotor und ein um den Rotor angeordnetes Innen- bzw. Außengehäuse. Der Rotor umfasst mehrere Laufschaufeln, die an der Oberfläche in Umfangsrichtung in äquidistanten Abständen angeordnet sind. Diese Turbinenschaufeln weisen Turbinenschaufelfüße auf, die bei der Montage in sogenannte Schaufelfußnuten in der Welle eingeführt und dort verstemmt werden. Kontakt zwischen dem Turbinenschaufelfuß und der Nut besteht hierbei im Bereich der sogenannten Tragflanken. Die Kombination aus Turbinenschaufelfuß und Nut ist hinsichtlich im Betrieb auftretender Spannungen hoch beansprucht, insbesondere spielen hierbei LCF (Low Cycle Fatigue) und HCF (High Cycle Fatigue) eine wesentliche Rolle. In der Regel beeinflusst die Wahl der Werkstoffpartner das Reibverhalten zwischen den Kontaktpartnern und kann daher lediglich geringfügig beeinflusst werden. Allerdings kann über eine gezielte Einstellung des Reibkoeffizienten die LCF- und HCF-Beanspruchung beider Kontaktpartner derart beeinflusst werden, dass der höher belastete Kontaktpartner entlastet und der geringer belastete Kontaktpartner stärker belastet wird. Somit könnte im Falle einer hoch beanspruchten Nut mittels eines hohen Reibungskoeffizienten ein Teil der Beanspruchung auf den Schaufelfuß übertragen werden. Für den Fall einer hohen Beanspruchung des Schaufelfußes hingegen könnte mittels eines geringeren Reibungskoeffizienten ein Teil der Beanspruchung auf die Nut übertragen werden. Eine gezielte Einstellung des Reibverhaltens könnte durch Beschichtungen erfolgen. Im Betrieb entstehen auf den Tragflanken hohe Flächenpressungen. Aufgrund dieser hohen Flächenpressungen ist zu erwarten, dass sich die Beschichtungen im Laufe des Betriebs hinsichtlich ihres Reibverhaltens verändern. Somit könnte das anfangs eingestellte ideale Reibverhalten verloren gehen, was im schlimmsten Fall aufgrund von Veränderungen der Beschichtung sogar ins Gegenteil umkehren könnte.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung eine verbesserte SchaufelfußNut-Anordnung bereitzustellen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Turbinenschaufel, insbesondere Dampfturbinenschaufel, ganz insbesondere Niederdruckdampfturbinenschaufel, mit einem Turbinenschaufelfuß, mit einer Beschichtung auf dem Turbinenschaufelfuß, wobei der Turbinenschaufelfuß im Betrieb einer Reibbeanspruchung unterliegt, wobei die Beschichtung derart ausgebildet ist, dass die Reibeigenschaft im Wesentlichen konstant ist.
  • Die Aufgabe wird desweiteren gelöst durch ein Verfahren zur Verbesserung der Reibeigenschaften zwischen einem Turbinenschaufelfuß, insbesondere einem Dampfturbinenschaufelfuß und einer Nut, wobei der Turbinenschaufelfuß beschichtet wird mit einer Beschichtung, welche aus einer Matrix und einem in die Matrix eingebrachten Füllstoff besteht.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung löst die oben genannte Aufgabe, im Wesentlichen indem eine Beschichtung aufgebracht wird. Das Reibverhalten wird durch eine gezielte Beschichtung daher beeinflusst.
  • Eine Eigenschaft dieser Beschichtung ist, dass sie hinsichtlich ihres Reibverhaltens eine selbstheilende Eigenschaft aufweist. Das bedeutet, dass die Schicht in der Lage ist, konstante Reibeigenschaften über längere Zeit hinweg im Betrieb zu garantieren. Damit der Reibkoeffizient über die Schicht gezielt eingestellt werden kann, muss in die Schicht ein Füllstoff eingebracht werden. Je nachdem ob ein geringer oder hoher Reibkoeffizient eingestellt werden soll, muss der Füllstoff schmierende Wirkung aufweisen oder die Reibung zwischen den Kontaktpartnern erhöhen.
  • Die selbstheilende Eigenschaft der Beschichtung hinsichtlich des Reibverhaltens kann dadurch erreicht werden, dass der Füllstoff möglichst fein über die Matrix der Beschichtung verteilt wird. Die Matrix selbst sollte einen möglichst gleichmäßigen Abtrag über die Lebensdauer der Schaufel aufweisen, so dass zu jeder Zeit eine möglichst konstante Menge des Füllstoffs zwischen den Reibpartnern vorliegt.
  • Erfindungsgemäß lässt sich die Reibeigenschaft gezielt einstellen und dies bei Design und Konstruktion der Turbinenschaufelfüße berücksichtigen. Durch Dispergieren der Füllstoffe in die Beschichtung kann die Beschichtung in die Lage versetzt werden, sich hinsichtlich des Reibverhaltens auch bei teilweisem Abtrag kontinuierlich zu regenerieren. Der regenerative Effekt basiert dabei im Wesentlichen auf der Anwesenheit eines entsprechenden Schmiermittels bzw. die Reibung erhöhenden Mittels an der Kontaktfläche zwischen den Reibpartnern. Erfindungsgemäß wird hierbei dieses Mittel kontinuierlich aus der Beschichtung heraus in den Bereich der reibenden Oberflächen eingebracht. Somit ist keine Zugabe von außen notwendig und die Gefahr eines vollständigen Aufbrauchens des Mittels und der damit verbundenen sprunghaften Veränderung des Reibverhaltens der Kontaktpartner ist ausgeschlossen, solange die Beschichtung auf einem der Reibpartner vorliegt.
  • In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist der Reibungskoeffizient im Wesentlichen konstant.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist in der Beschichtung ein Füllstoff eingebracht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Reibungskoeffizient über die Wahl des Materials des Füllstoffs einstellbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Füllstoff Graphit auf für einen niedrigen Reibungskoeffizienten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Füllstoff Aluminium oder eine Aluminiumverbindung auf für einen hohen Reibungskoeffizienten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Verteilung der Füllstoffe in der Beschichtung möglichst gleichmäßig.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterungen dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt.
  • Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren, wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
  • Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Es zeigt:
    • die Figur
    einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung.
  • Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung. Die Anordnung umfasst einen ersten Reibpartner 1. Dieser erste Reibpartner 1 könnte beispielsweise eine Nut in einer Welle sein.
  • Dem ersten Reibpartner 1 ist ein zweiter Reibpartner 2 gegenüber angeordnet. Der zweite Reibpartner 2 könnte ein Turbinenschaufelfuß, insbesondere ein Turbinenschaufelfuß einer Niederdruckdampfturbinenschaufel sein.
  • Auf dem zweiten Reibpartner 2 ist eine selbstheilende Schicht 3 aufgebracht. Diese selbstheilende Beschichtung 3 ist derart ausgebildet, dass die Reibeigenschaft im Wesentlichen konstant ist. Im Betrieb unterliegt der als zweiter Reibpartner 2 ausgebildete Turbinenschaufelfuß einer Reibbeanspruchung.
  • Die selbstheilende Schicht 3 umfasst eine Matrix 4 als Grundstoff. In der Matrix 4 ist ein Füllstoff 5 möglichst gleichmäßig angeordnet.
  • Zwischen dem ersten Reibpartner 1 und einer Oberfläche 6 der selbstheilenden Schicht 3 ist ein Film aus Füllstoff 7 ausgebildet.
  • Dieser Film aus Füllstoff 7 entsteht dadurch, dass zwischen dem ersten Reibpartner 1 und der Oberfläche 6 der selbstheilenden Schicht 3 eine Reibbeanspruchung besteht, wodurch die Matrix 4 geringfügig abgerieben wird und dadurch Füllstoff 5 freigesetzt wird.
  • Der Inhalt der Füllstoffe 5 bildet anschließend einen Film aus Füllstoff 7 entlang der Oberfläche 6 der selbstheilenden Schicht 3.
  • Zur Einstellung eines niedrigen Reibungskoeffizienten beinhaltet der Füllstoff 5 Graphit.
  • Zur Einstellung eines hohen Reibungskoeffizienten beinhaltet der Füllstoff 5 Aluminium oder eine Aluminiumverbindung.
  • Die Verteilung der Füllstoffe 5 ist in der Beschichtung möglichst gleichmäßig gehalten.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

  1. Turbinenschaufel mit einem Turbinenschaufelfuß,
    insbesondere Dampfturbinenschaufel,
    ganz insbesondere Niederdruckdampfturbinenschaufel,
    mit einer Beschichtung auf dem Turbinenschaufelfuß,
    wobei der Turbinenschaufelfuß im Betrieb einer Reibbeanspruchung unterliegt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Beschichtung derart ausgebildet ist, dass die Reibeigenschaften im Wesentlichen konstant sind.
  2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
    wobei der Reibungskoeffizient im Wesentlichen konstant ist.
  3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei in der Beschichtung ein Füllstoff (5) eingebracht ist.
  4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3,
    wobei der Reibungskoeffizient über die Wahl des Materials des Füllstoffs (5) einstellbar ist.
  5. Turbinenschaufel nach Anspruch 4,
    wobei der Füllstoff (5) Graphit ist für einen niedrigen Reibungskoeffizienten.
  6. Turbinenschaufel nach Anspruch 4,
    wobei der Füllstoff (5) Aluminium oder eine Aluminiumverbindung aufweist für einen hohen Reibungskoeffizienten.
  7. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
    wobei die Verteilung des Füllstoffs (5) in der Beschichtung gleichmäßig ist.
  8. Verfahren zur Verbesserung der Reibeigenschaften zwischen einem Turbinenschaufelfuß, insbesondere einem Dampfturbinenschaufelfuß und einer Nut,
    wobei der Turbinenschaufelfuß beschichtet wird mit einer Beschichtung, die aus einer Matrix (4) und einem in die Matrix (4) eingebrachten Füllstoff (5) besteht.
  9. Verfahren nach Anspruch 9,
    wobei zur Erhöhung des Reibkoeffizienten zwischen Turbinenschaufelfuß und Nut Aluminium oder eine Aluminiumverbindung verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8,
    wobei zur Erniedrigung des Reibkoeffizienten zwischen Turbinenschaufelfuß und Nut Graphit verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8,
    wobei der Füllstoff (5) gleichmäßig in der Matrix (4) verteilt ist.
EP16187805.3A 2016-09-08 2016-09-08 Turbinenschaufelfuss mit beschichtung Withdrawn EP3293357A1 (de)

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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3288623A (en) * 1963-06-04 1966-11-29 Allis Chalmers Mfg Co Method of flame spraying graphite to produce a low friction surface
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