WO1997021907A1 - Turbinenschaufel, die für einen einsatz im nassdampfbereich von vorend- und endstufen von turbinen vorgesehen ist - Google Patents

Turbinenschaufel, die für einen einsatz im nassdampfbereich von vorend- und endstufen von turbinen vorgesehen ist Download PDF

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Horst Müller
Martin Breindl
Bernd Sokol
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    • F05D2250/29—Three-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/294—Three-dimensional machined; miscellaneous grooved

Definitions

  • Turbine blade which is intended for use in the wet steam area of pre-final and final stages of turbines
  • the invention relates to a turbine blade which is intended for use in the wet steam area of pre-final and final stages of turbines and which is subject to erosion wear by impacting water droplets, in accordance with the preamble of claim 1.
  • wet steam that is steam which is mixed with the smallest droplets of condensed water.
  • wet steam that is steam which is mixed with the smallest droplets of condensed water.
  • these water droplets hit the blades at a correspondingly high speed and lead to highly undesirable erosion wear on their leading edges and on the back of the blades.
  • the maximum permissible material removal due to erosion is reached quickly, so that the useful life of the blades and thus the service life of the turbine is greatly reduced.
  • the initially smoothed, relatively smooth surface of the airfoil increasingly turns into an extremely rough surface due to erosion, which essentially consists of hard martensite needles that have remained.
  • erosion essentially consists of hard martensite needles that have remained.
  • the course and the shape of the leading edge are also greatly changed by the erosive removal. Because of the cross-sectional weakening and the notches introduced, the reliability also drops.
  • the object of the invention is to create a turbine blade according to the preamble of claim 1, with which the reliability achieved so far, the average efficiency over the term and the useful life of the blades affected by drop erosion are significantly improved.
  • the airfoil has a surface roughness in the region of its leading edge and its airfoil back or in at least a partial region thereof, which is significantly increased compared to the surface roughness of the front side of the airfoil.
  • the surface roughness ensures that the impinging water droplets are initially distributed relatively evenly as a film over the surface and this is then constantly supplemented by new droplets.
  • An advantageous further development of the subject matter of the invention provides for the surface roughness to be given a certain structure with which a water film which is formed is retained better on the surface of the rotor blade regions in question than with a relatively uniform surface roughness, despite the action of centrifugal forces would be the case.
  • a structure that is formed by grooves or grooves appears to be particularly expedient, these extending transversely to the centrifugal direction along circles conceived as coaxial to the turbine shaft or tangential to these circles.
  • the usual way to achieve the desired surface roughness will be to carry out a suitable surface treatment or surface coating specifically in the desired areas.
  • the surface roughness that arises when the airfoil is milled is left unchanged in the corresponding areas of the inlet flap and the rear and only the other areas of the airfoil that are not exposed to erosion or are significantly less exposed by grinding a correspondingly reduced upper surface Preserve surface roughness.
  • the grooves that arise during milling form a suitable structure that holds the water film well, even if the milling direction is transverse to the direction of the centrifugal force.
  • the surface hardening is an independent but another important factor for improving the blade properties with regard to droplet erosion.
  • care must be taken to ensure that the area of a damper wire hole provided in the blade remains recessed in the area of the blade which is subjected to hardening.
  • the hardening of the airfoil extends along the leading edge, beginning at the free end of the airfoil in the direction of the foot of the airfoil, with a length of two thirds of the length of the airfoil.
  • the hardened area can also be positioned such that the hardening of the airfoil extends from the free end of the blade along the leading edge as a strip of such a width that it does not touch, end in front of the damper wire hole or the area around the damper wire hole from hardening saves.
  • both the hardening and the surface roughness serve the goal of reducing the droplet erosion, both will be restricted to approximately the same areas. Deviations from this to meet special conditions are possible without any problems.
  • the area of increased surface roughness can extend beyond the hardened area and beyond the damper wire hole, without this causing any impairment.
  • a roughness of this size is also generated by the grooves formed during milling.
  • FIG. 1 shows a rotor blade of a steam turbine improved by hardening and increased surface roughness with a view of its rear side
  • Fig. 2 is a blade corresponding to Fig. 1, in which the area is increased
  • FIG. 3 shows a first variant of FIG. 1 with a long, narrow hardened
  • FIG. 4 shows a second variant of FIG. 1 with a short, wide hardened
  • FIG. 5 shows a third variant according to FIG. 1 with a long, wide hardened area.
  • FIG. 1 The back of a turbine rotor blade shown in FIG. 1 shows an airfoil 1 with a damper wire hole 6 and a blade root 7. Particularly in the area of its leading edge 5, the rotor blade, if used in the wet steam area, is subject to drop erosion, the harmful effects of which are to be minimized .
  • An interesting possibility for this is to reduce the impact of the water droplets arriving with high kinetic energy by suitable damping. This is achieved by building a water film that protects the endangered surface areas. An increased surface roughness 3 which promotes and also maintains the formation of the desired water film is therefore created, which extends along the leading edge 2 on this and on the rear side of the airfoil 2.
  • FIGS. 3 to 5 Another possibility of reducing the drop erosion of the rotor blade is to harden the affected areas.
  • a hardened area 5 like the area of increased surface roughness 3, must therefore extend along the leading edge.
  • the area immediately around the damper wire hole 6 should remain unhardened.
  • the shape and location of the hardened area are largely dependent on the size and area of application of the blade in question.
  • FIGS. 3 to 5 three variants are generally used.
  • the first variant according to FIG. 3 shows a hardened area 5 a, which takes up about two thirds of the length of the airfoil 1, but is so narrow that it remains sufficiently far from the damper wire hole 6.
  • the hardened area 5b is significantly wider but so short that it ends before the damper wire hole 6 is reached.
  • the hardened area 5c is wide and long, but forms a non-hardened recess 8 around the damper wire hole 6.
  • the damper wire hole While the position of the damper wire hole must be taken into account when the hardened area 5 is expanded, such consideration is not necessary when the area of increased surface roughness 3 is expanded. If necessary, it is thus possible to expand the areas of increased surface roughness 3 beyond the hardened area 5 as shown in FIG. 2. Regardless of the surface roughness, the damper wire hole itself can be rounded and polished.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, die für einen Einsatz im Naßdampfbereich von Vorend- und Endstufen von Turbinen vorgesehen ist und einem Erosionsverschleiß durch aufschlagende Wassertröpfchen unterliegt und im Bereich der Eintrittskanten und Teilen des Schaufelblattes (1) so behandelt ist, daß sich eine Herabsetzung des Erosionsverschleißes ergibt. Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zur Verminderung der erosiven Wirkung der Wassertröpfchen besteht darin, daß das Schaufelblatt (1) im Bereich seiner Eintrittskante (2) und seines Schaufelrückens oder in mindestens einem Teilbereich davon eine Oberflächenrauhigkeit (3) aufweist, die gegenüber der Oberflächenrauhigkeit der Vorderseite des Schaufelblattes (1) deutlich verstärkt ist.

Description

Turbinenschaufel, die für einen Einsatz im Naßdampfbereich von Vorend- und Endstu¬ fen von Turbinen vorgesehen ist
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, die für einen Einsatz im Naßdampfbe¬ reich von Vorend- und Endstufen von Turbinen vorgesehen ist und einem Erosions¬ verschleiß durch aufschlagende Wassertröpfchen unterliegt, entsprechend dem Ober¬ begriff des Anspruchs 1.
Im Bereich der Endstufen einer Dampfturbine oder schon davor ist die Entspannung des Dampfes soweit fortgeschritten, daß sog. Naßdampf entsteht, also Dampf, der mit kleinsten Tröpfchen kondensierten Wassers gemischt ist. Diese Wassertröpfchen treffen bei hoher Drehzahl der Turbine mit entsprechend hoher Geschwindigkeit auf die Laufschaufeln und führen an deren Eintrittskanten und am Schaufelrücken zu ei¬ nem höchst unerwünschtem Erosionsverschleiß. Bei widrigen Einsatzbedingungen wird der durch die Erosion bedingte maximal zulässige Materialabtrag schnell erreicht, so daß sich die Nutzungsdauer der Schaufeln und damit die Standzeit der Turbine stark verkürzt. Gleichzeitig kommt es aber auch zu Wirkungsgradeinbußen, da sich die Profilgeometrie ändert. Die zunächst geschliffene relativ glatte Oberfläche des Schaufelblattes verwandelt sich durch die Erosion zunehmend in eine extrem rauhe Oberfläche, die im Wesentlichen aus stehengebliebenen harten Martensitnadeln be¬ steht. Auch der Verlauf und die Form der Eintrittskante wird durch den erosiven Abtrag stark verändert. Auf Grund der Querschnittsschwächung und der eingebrachten Ker¬ ben sinkt auch die Zuverlässigkeit.
Um die genannten Probleme zu vermindern, hat man in Abhängigkeit von den be¬ rechneten thermodynamischen Einsatzbedingungen die Eintrittskante und Teile des Schaufelblattes von Vorend- und Endstufenlaufschaufeln flamm- und lasergehärtet. Ziel dieser Härtung ist es, durch eine Änderung des Gefügezustandes die Materialei- genschaften so zu verbessern, daß der Materialabtrag durch auftreffende Wasser¬ tröpfchen verringert wird. Hierdurch wurde die anstehende Problematik zwar ent¬ schärft aber noch keineswegs befriedigend gelöst.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel nach dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1 zu schaffen, mit der die bisher erreichte Zuverlässigkeit, der mittlere Wir¬ kungsgrad über die Laufzeit und die Nutzungsdauer der von einer Tropfenerosion be¬ troffenen Lauf schaufeln deutlich verbessert werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.
Man kann davon ausgehen, daß sich die erosive Wirkung der auf die Laufschaufeln auftreffenden Wassertröpfchen deutlich vermindert, wenn es gelingt, auf den betroffe¬ nen Oberflächen der Laufschaufeln einen eine Dämpfung bewirkenden Wasserfilm aufzubauen. Hierzu ist vorgesehen, daß das Schaufelblatt im Bereich seiner Eintritts¬ kante und seines Schaufelrückens oder in mindestens einem Teilbereich davon eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, die gegenüber der Oberflächenrauhigkeit der Vorder¬ seite des Schaufelblattes deutlich verstärkt ist. Die Oberflächenrauhigkeit sorgt dafür, daß die auftreffenden Wassertröpfchen sich zunächst relativ gleichmäßig als Film über der Oberfläche verteilen und dieser dann ständig durch neue Tröpfchen ergänzt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, der Oberflä¬ chenrauhigkeit eine bestimmte Struktur zu geben, mit der ein sich bildender Wasser¬ film trotz der Wirkung von Zentrifugalkräften besser auf der Oberfläche der betroffenen Laufschaufelbereiche festgehalten wird, als das bei einer relativ gleichmäßigen Ober¬ flächenrauhigkeit der Fall wäre. Als besonders zweckmäßig erscheint eine Struktur, die durch Riefen oder Rillen gebildet ist, wobei sich diese quer zur Zentrifugalrichtung entlang koaxial zur Turbinenwelle gedachter Kreise oder tangential zu diesen Kreisen erstrecken. Der übliche Weg zur Erlangung der gewünschten Oberflächenrauhigkeit wird darin bestehen, eine geeignete Oberflächenbearbeitung oder eine Oberflächenbeschichtung speziell in den gewünschten Bereichen vorzunehmen. Wesentlich vorteilhafter ist es jedoch, wenn die beim Fräsen des Schaufelblattes entstehende Oberflächeπrauhigkeit in den entsprechenden Bereichen der Eintrittskaπte und der Rückseite unverändert belassen wird und nur die übrigen, der Erosion nicht oder deutlich weniger ausgesetz¬ ten Bereiche des Schaufelblattes durch Schleifen eine entsprechend reduzierte Ober¬ flächenrauhigkeit erhalten. Die beim Fräsen entstehenden Riefen bilden eine geeigne¬ te, den Wasserfilm gut haltende Struktur, wenn auch die Fräsrichtung quer zur Rich¬ tung der Zentrifugalkraft verläuft.
Neben der Oberflächenrauhigkeit ist die Oberflächenhärtung ein hiervon zwar unab¬ hängiger aber weiterer wichtiger Faktor zur Verbesserung der Laufschaufeleigenschaf¬ ten im Hinblick auf die Tröpfchenerosion. Dabei ist allerdings darauf zu achten, daß bei dem einer Härtung unterzogenen Bereich der Schaufel der Bereich eines in der Schaufel vorgesehenen Dämpferdrahtloches ausgespart bleibt. Auch unter diesem Aspekt ist es zweckmäßig, wenn sich die Härtung des Schaufelblattes entlang der Eintrittskante erstreckt, beginnend am freien Ende der Schaufel in Richtung zum Schaufeifuß, mit einer Länge von zweidrittel der Länge des Schaufelblattes.
Der gehärtete Bereich kann auch so positioniert werden, daß sich die Härtung des Schaufelblattes beginnend am freien Ende der Schaufel entlang der Eintrittskante als Streifen einer solchen Breite erstreckt, daß er das Dämpferdrahtloch nicht tangiert, vor diesem endet oder den Bereich um das Dämpferdrahtloch von einer Härtung aus¬ spart.
Da sowohl die Härtung als auch die Oberflächenrauhigkeit dem Ziel einer Verminde¬ rung der Tröpfchenerosion dienen, wird man beide in etwa auf die gleichen Flächen¬ bereiche beschränken. Abweichungen hiervon zur Erfüllung von Soπderbedingungen sind jedoch problemlos möglich. So kann z.B. der Bereich verstärkter Oberflächen¬ rauhigkeit über den gehärteten Bereich und über das Dämpferdrahtloch hinausrei¬ chen, ohne daß hierdurch eine Beeinträchtigung entsteht. Wie Versuche gezeigt haben, ist es von Vorteil, wenn die Bereiche verstärkter Ober¬ flächenrauhigkeit bei Rz = 30 bis 100 μm, vorzugsweise bei Rz = 60 bis 70 μm, liegen, während die geschliffenen Bereiche bei Rz = 5 bis 20 μm, vorzugsweise bei Rz = 10 μm, liegen. Eine Rauhigkeit dieser Größe wird auch durch die beim Fräsen entstehen¬ den Rillen erzeugt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine durch Härtung und erhöhte Oberflächenrauhigkeit verbesserte Lauf¬ schaufel einer Dampfturbine mit Blick auf deren Rückseite,
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Laufschaufel, bei der der Bereich erhöhter
Oberflächenrauhigkeit den gehärteten Bereich überragt,
Fig. 3 eine erste Variante nach Fig. 1 mit einem langen, schmalen gehärteten
Bereich,
Fig. 4 eine zweite Variante nach Fig. 1 mit einem kurzen, breiten gehärteten
Bereich,
Fig. 5 eine dritte Variante nach Fig. 1 mit einem langen, breiten gehärteten Be¬ reich.
Die in Fig. 1 dargestellte Rückseite einer Turbinen-Laufschaufel zeigt ein Schaufelblatt 1 mit einem Dämpferdrahtloch 6 und einem Schaufelfuß 7. Besonders im Bereich ihrer Eintrittskante 5 unterliegt die Laufschaufel, sofern sie im Naßdampfbereich eingesetzt wird, einer Tropfenerosion, deren schädliche Wirkungen minimiert werden sollen. Eine interessante Möglichkeit hierzu besteht darin, den Aufschlag der mit hoher kinetischer Energie ankommenden Wassertröpfchen durch eine geeignete Dämpfung zu mindern. Dies gelingt durch den Aufbau eines die gefährdeten Oberflächenbereiche schützen¬ den Wasserfiims. Es wird deshalb eine die Bildung des gewünschten Wasserfilms för¬ dernde und auch festhaltende erhöhte Oberflächenrauhigkeit 3 geschaffen, die sich entlang der Eintrittskante 2 auf dieser und auf der Rückseite des Schaufelblattes 2 erstreckt. Das Abfließen des Wasserfilms in Richtung der Zentrifugalkraft wird durch quer hierzu verlaufende Rillen behindert. Solche Rillen entstehen bereits beim Fräsen des Schaufelprofils, so daß diese in ihrer Oberflächenstuktur unverändert beibehalten werden können. Das übliche Nachbehandeln der Oberfläche beschränkt sich somit auf einen Schleifbereich 4 der verbleibenden Oberfläche.
Eine weitere Möglichkeit die Tropfenerosion der Laufschaufel zu vermindern, ergibt sich durch Härten der betroffenen Bereiche. Ein solcher gehärteter Bereich 5 muß sich somit wie der Bereich erhöhter Oberflächenrauhigkeit 3 entlang der Eintrittskante er- steckeπ. Dabei soll aber der unmittelbar um das Dämpferdrahtloch 6 herumgelegene Bereich ungehärtet bleiben. Form und Lage des gehärteten Bereiches sind wesentlich von der Größe und dem Einsatzbereich der betroffenen Laufschaufel abhängig. Wie man den Fig. 3 bis 5 entnehmen kann, kommen jedoch in der Regel drei Varianten zur Anwendung. Die erste Variante nach Fig. 3 zeigt einen gehärteten Bereich 5a, der etwa zweidrittel der Länge des Schaufelblattes 1 beansprucht, aber so schmal ist, daß er ausreichend weit vom Dämpferdrahtloch 6 entfernt bleibt. Bei der zweiten Variante nach Fig. 4 ist der gehärtete Bereich 5b deutlich breiter aber so kurz, daß er vor Errei¬ chen des Dämpferdrahtloches 6 endet. Bei der dritten Variante nach Fig. 5 dagegen ist der gehärtete Bereich 5c breit und lang, bildet aber um das Dämpferdrahtloch 6 herum eine nicht gehärtete Aussparung 8.
Während bei einer Ausdehnung des gehärteten Bereiches 5 auf die Lage des Dämp¬ ferdrahtloches geachtet werden muß, ist eine solche Rücksichtnahme bei einer Aus¬ dehnung des Bereiches erhöhter Oberflächenrauhigkeit 3 nicht erforderlich. Bei Bedarf ist es somit möglich, entsprechend Fig. 2 den Bereiche erhöhter Oberflächenrauhigkeit 3 über den gehärteten Bereiches 5 hinaus zu erweitern. Unabhängig von der Oberflä¬ chenrauhigkeit kann das Dämpferdrahtloch selbst gerundet und poliert werden.

Claims

Ansprüche
1. Turbinenschaufel, die für einen Einsatz im Naßdampfbereich von Vorend- und Endstufen von Turbinen vorgesehen ist und einem Erosionsverschleiß durch auf¬ schlagende Wassertröpfchen unterliegt und im Bereich der Eintrittskanten und Teilen des Schaufelblattes (1) so behandelt ist, daß sich eine Herabsetzung des Erosions¬ verschleißes ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (1) im Bereich seiner Eintrittskante (2) und seines Schaufelrückens oder in mindestens einem Teilbe¬ reich davon eine Oberflächenrauhigkeit (3) aufweist, die gegenüber der Oberflächen¬ rauhigkeit der Vorderseite des Schaufelblattes (1) deutlich verstärkt ist.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die er¬ höhte Oberfiächenrauhigkeit (3) gezielt so strukturiert ist, daß diese einen sich bilden¬ den Wasserfilm trotz der Wirkung von Zentrifugalkräften auf der Oberfläche festhält.
3. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die erhöhte Oberflächenrauhigkeit (3) durch Riefen oder Rillen gebildet ist, die sich quer zur Zentrifugairichtung entlang koaxial zur Turbinenwelle gedachter Kreise oder tangential zu diesen Kreisen erstrecken.
4. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß eine geeignete Oberflächenbearbeitung oder eine Oberflächenbe¬ schichtung speziell in den gewünschten Bereichen eine einen Wasserfilm festhaltende Oberflächenrauhigkeit erzeugt,
5. Turbiπenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, da¬ durch gekennzeichnet, daß die beim Fräsen des Schaufelblattes entstehende Ober¬ fiächenrauhigkeit (3) in den entsprechenden Bereichen der Eintrittskante (2) und der Rückseite unverändert belassen ist und nur die übrigen, der Erosion nicht oder deut¬ lich weniger ausgesetzten Bereiche des Schaufelblattes (1) als Schleifbereiche (4) eine entsprechend reduzierte Oberflächenrauhigkeit (3) aufweisen.
6. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß von der Tropfenerosion betroffene Bereiche des Schaufelblattes (1) als gehärtete Bereiche (5) ausgebildet sind.
7. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß sich der gehärtete Bereich des Schaufelblattes (1) entlang der Ein¬ trittskante (2) erstreckt, beginnend am freien Ende der Schaufelblattes (1) in Richtung zum Schaufelfuß (7) mit einer Länge von etwa zwei Drittel der Länge des Schaufelblat¬ tes (1).
8. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, da¬ durch gekennzeichnet, daß der gehärtete Bereich des Schaufelblattes (1) am freien Ende der Schaufel beginnend sich entlang der Eintrittskante als Streifen in einer sol¬ chen Breite erstreckt, daß er ein Dämpferdrahtloch (6) nicht tangiert, vor diesem endet oder den Bereich um das Dämpferdrahtloch (6) von einer Härtung ausspart.
9. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß sich der Bereich verstärkter Oberflächeπrauhigkeit (3) auf die ge¬ härteten Bereiche (5) beschränkt oder über diese hiπausreicht.
10. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche verstärkter Oberflächenrauhigkeit (3) bei Rz = 30 bis 100 μm, vorzugsweise bei Rz = 60 bis 70 μm, liegen, während die geschliffenen Bereiche bei Rz = 5 bis 20 μm, vorzugsweise bei Rz = 10 μm, liegen.
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