WO2010066548A1 - Turbinenschaufel mit beschichtung - Google Patents

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WO2010066548A1
WO2010066548A1 PCT/EP2009/065411 EP2009065411W WO2010066548A1 WO 2010066548 A1 WO2010066548 A1 WO 2010066548A1 EP 2009065411 W EP2009065411 W EP 2009065411W WO 2010066548 A1 WO2010066548 A1 WO 2010066548A1
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WO
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turbine blade
protective layer
nanoparticles
composite material
fiber composite
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Thomas Behnisch
Anett Berndt
Christoph Ebert
René FÜSSEL
Heinrich Kapitza
Albert Langkamp
Markus Mantei
Heinrich Zeininger
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
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    • 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
    • F01D5/282—Selecting composite materials, e.g. blades with reinforcing filaments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • 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
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade with a foot section and an airfoil section, which is designed for use in a low pressure stage of a steam turbine and at least partially contains fiber composites, wherein at least the area containing the fiber composite material is coated with a protective layer.
  • step drainage on the turbine casing wall In order to reduce the drop impact erosion, the following measures are currently used: step drainage on the turbine casing wall, hardening of the leading edges of the rotor blade, execution of suction slots in hollow guide vanes and their heating.
  • all these measures are very expensive and sometimes connected with considerable costs.
  • the fiber composite reinforced materials in particular carbon fiber reinforced plastics, have a extremely high tensile strength and Young's modulus and a very low density, wherein the ratio between the tensile strength and the density of relevant parameters for the mechanical load capacity of the blades is.
  • a disadvantage of the fiber composites is their very low resistance to drop impact erosion. Even with a small drop of impact, the blades of the fiber composite reinforced materials will suffer considerable damage.
  • EP 1 788 197 A1 discloses a turbine blade which is formed from a fiber composite material and which has a moisture-impermeable protective layer.
  • the moisture-proof protective layer ensures that the moisture can not penetrate into the fiber composite material and thus weaken it.
  • the protective layer has the disadvantage that it can still easily be damaged and removed at high erosion load due to the drop impact.
  • the invention is therefore based on the object to form a turbine blade, which consists of a fiber composite reinforced material and which is permanently insensitive to erosion.
  • the turbine blade according to the invention which is designed for use in a low-pressure stage of a steam turbine and at least partially contains fiber composite material, wherein at least the area containing the fiber composite material is coated with a protective layer, is characterized in that the protective layer consists of a material, whose impact tensile strength is greater than the tensile impact strength of the fiber composite material.
  • the impact-peel-resistant coating achieves damping of the drop impact. The impact energy is thus absorbed by the protective layer and the underlying material of the turbine blade is not damaged. This results in a turbine blade which is insensitive to erosion, in particular drop erosion.
  • the protective layer consists of a material whose hardness is greater than the hardness of the fiber composite material.
  • the greater hardness of the protective layer prevents material removal by drop erosion and maintains the long-term erosion sensitivity.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the turbine blade is formed from a fiber composite material containing glass fibers and / or plastic fibers and / or carbon fibers and / or aramid fibers. These fiber composites are particularly suitable for the turbine blade as they have a high tensile strength and a high modulus of elasticity. But it is also possible to use a glass fiber reinforced plastic or ceramic fiber composite material. Epoxy resin or ceramic is very well suited as matrix material.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the protective layer of polyurethane, preferably hard-elastic polyurethane is formed.
  • Polyurethane has the essential properties required for such a protective layer, namely high tensile strength and high hardness.
  • the thickness of the protective layer is between 0.5 mm and 5 mm. This layer thickness has proven to be particularly favorable in practice.
  • the protective layer is preferably carried out only in reinforced or erosion-loaded zones of the blade. This is in particular the leading edge and at this particular the tip region or the upper third of the leading edge. Furthermore, the trailing edge of the blade, in particular the region close to the shaft (lower third of the trailing edge), is subjected to erosion stress in the event that the step is ventilated and water is injected for cooling.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the protective layer contains nanoparticles.
  • the nanoparticles provide for an improved damping property of the protective layer and for a more uniform introduction of force into the protective layer
  • the nanoparticles are vibrated by the drop impact and damped by the matrix and / or the protective layer.
  • the nanoparticles make material removal even more difficult.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the nanoparticles consist of one of the following chemical compounds: aluminum oxide, silicon oxide, silicon carbide, zirconium oxide, titanium oxide. These nanoparticles have proven to be particularly suitable for the protective layer.
  • the nanoparticles preferably have a size which is smaller than 100 nm.
  • the nanoparticles can thus be incorporated very well into the protective layer and spread particularly well within the protective layer.
  • the coating particularly preferably has a nanoparticle content of less than 25%. A higher proportion of nanoparticles would not further improve the properties of the protective layer.
  • a particularly preferred embodiment of the invention further provides that the nanoparticle concentration in the outer region of the protective layer is increased. As the distance from the protective layer surface increases, the nanoparticle content may decrease. The nanoparticles provide an increase in the damping properties of the protective layer, especially in the near-surface region. This effect diminishes with increasing distance from the protective layer surface.
  • FIG. 1 shows a turbine blade according to the invention
  • FIG. 2 shows the section II / II according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows the detailed view X according to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows the leading edge of a second embodiment of a turbine blade according to the invention.
  • each is a greatly simplified representations, in which only the essential, necessary to describe the invention, components are shown.
  • the same or functionally identical components are cross-figured provided with the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a turbine blade 1 according to the invention.
  • the turbine blade 1 has a foot section 2 and an airfoil section 3.
  • the turbine blade 1 is designed in particular for use in a low-pressure stage of a steam turbine.
  • the foot section 2 has a plug-in foot 8 for fastening the turbine blade 1 in the rotor.
  • the airfoil section 3 is formed from fiber composite material.
  • the main fiber direction 9 preferably runs along a main axis 10 of the turbine blade 1.
  • the blade leaf section 3 has an additional fiber composite layer 11 which serves to reinforce it.
  • the additional fiber composite layer 11 contains additional fibers that extend at a different angle to the main axis 10 and thus another Stiffening of the blade section 3 serve.
  • the airfoil section 3 is coated with a protective layer 5.
  • the protective layer 5 consists of a material whose impact resistance is greater than the impact resistance of the fiber composite material. Due to the high impact resistance of the protective layer 5, the energy is greatly attenuated at the drop impact, whereby destruction of the airfoil section 3 is avoided. Without such a shock-absorbing protective layer 5, the fiber composite material would be damaged due to the drop impact, which would subsequently lead to a failure of the turbine blade and thus damage to the entire system.
  • FIG. 2 shows the section II / II in the airfoil section 3 according to FIG. 1. Since a large sheet thickness is present in this region of the airfoil, a packing 12 is provided for weight and stiffness optimization, which is enclosed by the fiber composite material 13.
  • the blade airfoil section 3 is completely surrounded by a protective layer 5 for protection against drop impact erosion.
  • the protective layer 5 consists, as already described, of a material of the same
  • the protective layer 5 has a hardness which is greater than the hardness of the fiber composite material. The greater hardness ensures a further improved erosion resistance and thus increases the fatigue strength of the turbine blade.
  • the protective layer 5 has a Shore hardness of at least A70.
  • the protective layer 5 consists of a cured polyurethane and preferably has a layer thickness between 0.5 and 5 mm. This layer thickness has proven to be particularly advantageous.
  • the fiber composite material advantageously contains glass fibers and / or plastic fibers and / or carbon fibers. Aramid fibers are in particular suitable as synthetic fibers.
  • FIG. 3 shows a detailed view of the protective layer 5 corresponding to the detail X of FIG. 2.
  • the protective layer 5 is applied to the airfoil section 3 in a permanently adhering manner.
  • the protective layer 5 contains a certain proportion of nanoparticles 7.
  • the proportion of nanoparticles 7 should not exceed a weight percentage of 25.
  • particles of aluminum oxide, silicon oxide, silicon carbide, zirconium oxide or titanium oxide are particularly suitable.
  • the nanoparticles 7 ensure that the impact energy can be absorbed particularly well by the protective layer 5 during the impact of drops and is introduced particularly uniformly.
  • the nanoparticles 7 are set in vibration upon impact of the drops. Due to the vibration of the nanoparticles 7, the kinetic energy is converted into friction energy and the impact energy is thereby effectively damped.
  • the nanoparticles should be less than 100 nm in diameter.
  • the concentration of the nanoparticles 7 is in the outer area of the
  • Protective layer 5 high and decreases continuously with increasing distance from the surface. Such an uneven distribution of the nanoparticles 7 over the layer thickness 5 makes sense, since the impact energy of the drops in the near-surface region is particularly high and here an increased damping is required. As the layer thickness increases, the impact energy is reduced, so that fewer nanoparticles 7 are required there.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a turbine blade 1 according to the invention.
  • FIG. 4 shows a leading edge of a turbine blade 1 corresponding to the detail Y in FIG. 2.
  • the protective layer 5 does not cover the entire airfoil section 3 but is only attached to the leading edge 6 of the turbine blade 1.
  • the incoming turbine steam 14 initially strikes the leading edge 6, so that it is exposed to the largest impact energy. Subsequently, the turbine steam then flows with significantly reduced flow energy past the surface of the blade section 3 and causes no appreciable damage there.
  • the attachment of the protective layer in the region of the leading edge 6 is thus sufficient to effectively prevent destruction due to drop impact erosion.
  • the protective layer according to the invention which consists of a material whose impact tensile strength is greater than the tensile impact strength of the fiber composite material of the turbine blade, enables effective protection against drop erosion on the turbine blade.
  • the protective layer according to the invention thus ensures permanent insensitivity of the turbine blade against drop impact erosion.
  • Turbine blade thus enables a permanent use of turbine blade with fiber composites with existing drop erosion.
  • An elaborate design of the turbine blade as it was necessary in the past, can be dispensed with.
  • the costs for the turbine blades can be significantly reduced thereby at the same time increased lifetime.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel 1 mit einem Fußabschnitt 2 sowie einem Schaufelblattabschnitt 3, die zur Verwendung in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine gestaltet ist und zumindest bereichsweise einen Faserverbundwerkstoff enthält, wobei zumindest in den Faserverbundwerkstoff enthaltene Bereich 4 mit einer Schutzschicht 5 beschichtet ist. Die Schutzschicht 5 besteht dabei aus einem material, dessen Schlagzugzähigkeit größer ist als die Schlagzugzähigkeit des Faserverbundwerkstoffes.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel mit Beschichtung
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem Fußabschnitt sowie einem Schaufelblattabschnitt, die zur Verwendung in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine gestaltet ist und zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoffe enthält, wobei zumindest der dem Faserverbundwerkstoff enthalte- ne Bereich mit einer Schutzschicht beschichtet ist.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der Dampfturbine zu erzielen, muss der Dampf möglichst weit entspannt werden. Hierzu sind insbesondere bei den Endstufenlaufschaufeln hohe Durchströmflächen notwendig. Durch die hierdurch erforderlichen großen Turbinenschaufeln werden große Umfangsgeschwindigkeiten an den Turbinenschaufeln erreicht. Die hohen Umfangsgeschwindigkeiten führen zum Einen zu hohen Fliegkräften und damit hohen Spannungen, zum Anderen kommt es aufgrund von Tropfenschlägen auf der Turbinenschaufel in Verbindung mit den hohen Umfangsgeschwindigkeiten zu Tropfenschlagerosions- beanspruchungen . Dies führt zu hohem Verschleiß und nicht selten zur vollständigen Zerstörung der Turbinenschaufel. Um die Fliegkraftbeanspruchungen zu reduzieren ist es bekannt, anstelle von hochfesten Stählen Titanschaufeln zu verwenden. Durch das geringere Gewicht der Titanschaufel wird die Flieh- kraftspannung reduziert. Um die Tropfenschlagerosion zu verringern werden zurzeit die nachstehenden Maßnahmen eingesetzt: Stufenentwässerung an der Turbinengehäusewand, Härtung der Eintrittskanten der Laufschaufei, Ausführung von Absaugschlitzen in Hohlleitschaufeln und deren Beheizung. Alle diese Maßnahmen sind jedoch sehr aufwendig und mit zum Teil erheblichen Kosten verbunden.
Aufgrund ihrer guten Werkstofftechnischen Eigenschaften werden zunehmend Schaufeln aus faserverbundverstärkten Werkstoffen gefertigt. Die faserverbundverstärkten Werkstoffe, insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, weisen eine außerordentlich hohe Zugfestigkeit und E-Modul sowie eine sehr niedrige Dichte auf, wobei das Verhältnis zwischen der Zugfestigkeit und der Dichte maßgebender Parameter für die mechanische Belastbarkeit der Schaufeln ist. Nachteilig bei den Faserverbundwerkstoffen ist allerdings die sehr geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber Tropfenschlagerosion. Schon bei geringem Tropfenschlag kommt es an den faserverbundver- stärkten Werkstoffen zu erheblichen Schädigungen der Schaufeln .
Die EP 1 788 197 Al offenbart eine Turbinenschaufel die aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, und die eine feuchtigkeitsundurchlässige Schutzschicht aufweist. Die feuchtigkeitsundurchlässige Schutzschicht sorgt dabei dafür, dass die Feuchtigkeit nicht in den Faserverbundwerkstoff eindringen kann und ihn so schwächen kann. Die Schutzschicht hat jedoch den Nachteil, dass sie bei hoher Erosionsbelastung aufgrund vom Tropfenschlag weiterhin leicht beschädigt und abgetragen werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel auszubilden, die aus einem faserverbundverstärk- ten Werkstoff besteht und die dauerhaft unempfindlich gegen Erosion ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche ein- zeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel, die zur Verwendung in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine gestaltet ist und zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff enthält, wobei zumindest der den Faserverbundwerkstoff enthaltene Bereich mit einer Schutzschicht beschichtet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Schutzschicht aus einem Material besteht, dessen Schlagzugzähigkeit größer ist als die Schlagzugzähigkeit des Faserverbundwerkstoffes. Durch die schlagzugzähe Be- schichtung wird eine Dämpfung des Tropfenaufpralls erreicht. Die Aufprallenergie wird somit von der Schutzschicht aufge- nommen und das darunterliegende Material der Turbinenschaufel wird nicht beschädigt. Hierdurch ergibt sich eine Turbinenschaufel die unempfindlich gegen Erosion insbesondere Tropfenerosion ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht aus einem Material besteht, dessen Härte größer ist als die Härte des Faserverbundwerkstoffes. Durch die größere Härte der Schutzschicht wird ein Materialabtrag durch Tropfenerosion verhindert und die dauerhafte Erosionsu- nempfindlichkeit erhalten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Turbinenschaufel aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, der Glasfasern und/oder Kunststofffa- sern und/oder Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern enthält. Diese Faserverbundwerkstoffe eignen sich besonders gut für die Turbinenschaufel da sie eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen E-Modul aufweisen. Es ist aber auch möglich einen glasfaserverstärkten Kunststoff oder keramischen Faserver- bundwerkstoff zu verwenden. Als Matrixmaterial ist Epoxydharz oder Keramik sehr gut geeignet.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht aus Polyurethan, vorzugsweise hartelastisches Polyurethan, ausgebildet ist. Polyurethan verfügt über die wesentlichen Eigenschaften, die für eine solche Schutzschicht erforderlich sind, nämlich eine hohe Zugzähigkeit sowie eine hohe Härte.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dicke der Schutzschicht zwischen 0,5 mm und 5 mm beträgt. Diese Schichtdicke hat sich in der Praxis als besonders günstig erwiesen. Erfindungsgemäß bevorzugt wird die Schutzschicht nur oder verstärkt in erosionsbelasteten Zonen der Schaufel ausgeführt. Dies ist insbesondere die Eintrittskante und an dieser insbesondere der Spitzenbereich bzw. das obere Drittel der Eintrittskante. Ferner ist die Austrittskante der Schaufel insbesondere der wellennahe Bereich (unteres Drittel der Austrittskante) erosionsbeansprucht und zwar in dem Falle das die Stufe ventiliert und Wasser zur Kühlung eingespritzt wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht Nanopartikel enthält. Die Nanopartikel sorgen für eine verbesserte Dämpfungseigenschaft der Schutz- schicht und für eine gleichmäßigere Krafteinleitung in die
Schutzschicht. Die Nanopartikel werden dabei durch den Tropfeneinschlag in Schwingung versetzt und von der Matrix und/oder der Schutzschicht gedämpft. Durch die Nanopartikel wird ein Materialabtrag zusätzlich erschwert.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Nanopartikel aus einer der nachstehend genannten chemischen Verbindungen besteht: Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Zirkonoxid, Titanoxid. Diese Nanoparti- kel haben sich als besonders geeignet für die Schutzschicht herausgestellt .
Die Nanopartikel weisen bevorzugt eine Größe auf, die kleiner als 100 nm ist. Die Nanopartikel können so sehr gut in die Schutzschicht eingebracht werden und verteilen sich innerhalb der Schutzschicht besonders gut.
Besonders bevorzugt weist die Beschichtung einen Nanopartike- lanteil von weniger als 25 % auf. Ein höherer Anteil an Nano- partikel würde die Eigenschaften der Schutzschicht nicht weiter verbessern. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht weiterhin vor, dass die Nanopartikelkonzentration im äußeren Bereich der Schutzschicht erhöht ist. Mit zunehmendem Abstand von der Schutzschichtoberfläche kann der Nanopartikelanteil abnehmen. Die Nanopartikel sorgen insbesondere in den oberflächennahen Bereich für eine Erhöhung der Dämpfungseigenschaften der Schutzschicht. Diese Wirkung lässt mit zunehmendem Abstand von der Schutzschichtoberfläche nach.
Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel; Figur 2 den Schnitt II/II gemäß Figur 1 ; Figur 3 die Detailansicht X gemäß Figur 2 ;
Figur 4 die Anströmkante eines zweiten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel.
Bei den Figuren handelt es sich jeweils um stark vereinfachte Darstellungen, bei denen nur die wesentlichen, zur Beschreibung der Erfindung notwendigen, Bauteile gezeigt sind. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile werden figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 1. Die Turbinenschaufel 1 weist einen Fußabschnitt 2 und einen Schaufelblattabschnitt 3 auf. Die Turbinenschaufel 1 ist insbesondere zur Verwendung in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine gestaltet. Der Fußab- schnitt 2 weist einen Steckfuß 8 zur Befestigung der Turbinenschaufel 1 im Rotor auf. Der Schaufelblattabschnitt 3 ist aus Faserverbundwerkstoff ausgebildet. Die Hauptfaserrichtung 9 verläuft dabei vorzugsweise entlang einer Hauptachse 10 der Turbinenschaufel 1. Im Bereich des Fußabschnittes 2 weist der Schaufelblattabschnitt 3 eine Zusatzfaserverbundlage 11 auf, die der Verstärkung dient. Die Zusatzfaserverbundlage 11 enthält zusätzliche Fasern, die unter abweichendem Winkel gegenüber der Hauptachse 10 verlaufen und somit einer weiteren Versteifung des Schaufelblattabschnittes 3 dienen. Es ist auch möglich mehrere Zusatzfaserverbundlagen 11 vorzusehen, die dann vorzugsweise spiegelsymmetrisch angeordnet werden, wodurch eine Verwindung verringert bzw. vermieden wird. Zur Vermeidung von Tropfenerosion ist der Schaufelblattabschnitt 3 mit einer Schutzschicht 5 überzogen. Die Schutzschicht 5 besteht aus einem Material, dessen Schlagzugzähigkeit größer ist als die Schlagzugzähigkeit des Faserverbundwerkstoffes. Durch die hohe Schlagzugzähigkeit der Schutzschicht 5 wird die Energie beim Tropfenaufschlag stark gedämpft, wodurch eine Zerstörung des Schaufelblattabschnittes 3 vermeiden wird. Ohne eine solche schlagabsorbierende Schutzschicht 5 würde der Faserverbundwerkstoff aufgrund des Tropfeneinschlages beschädigt werden, was nachfolgend zu einem Versagen der Turbi- nenschaufel und damit zur Beschädigung der gesamten Anlage führen würde .
Figur 2 zeigt den Schnitt II/II im Schaufelblattabschnitt 3 gemäß Figur 1. Da in diesem Bereich des Schaufelblattes eine große Blattdicke vorliegt ist zur Gewichts- und Steifigkeits- optimierung ein Füllkörper 12 vorgesehen, der von dem Faserverbundwerkstoff 13 umschlossen ist. Der Schaufelblattabschnitt 3 ist zum Schutz gegen Tropfenschlagerosion vollständig mit einer Schutzschicht 5 umgeben. Die Schutzschicht 5 besteht wie bereits beschrieben aus einem Material dessen
Schlagzugzähigkeit größer ist als die Schlagzugzähigkeit des Faserverbundwerkstoffes. Darüber hinaus weist die Schutzschicht 5 eine Härte auf, die größer ist als die Härte des Faserverbundwerkstoffes. Die größere Härte sorgt für eine weiter verbesserte Erosionsunempfindlichkeit und erhöht damit die Dauerfestigkeit der Turbinenschaufel. Die Schutzschicht 5 weist eine Shorehärte von wenigstens A70 auf. Die Schutzschicht 5 besteht aus einem gehärteten Polyurethan und besitzt vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 0,5 und 5 mm auf. Diese Schichtdicke hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt . Um die Sicherheit der den Faserverbundwerkstoff enthaltenen Bauteile sicherzustellen, enthält der Faserverbundwerkstoff vorteilhafter Weise Glasfasern und/oder Kunststofffasern und/oder Kohlenstofffasern . Als Kunststofffasern eignen sich insbesondere Aramitfasern .
Figur 3 zeigt eine Detailansicht der Schutzschicht 5 entsprechend des Detailausschnitts X aus Figur 2. Die Schutzschicht 5 ist dabei dauerhaft haftend auf dem Schaufelblattabschnitt 3 aufgebracht. Die Schutzschicht 5 enthält einen gewissen Anteil an Nanopartikeln 7. Der Anteil an Nanopartikel 7 sollte einen Gewichtsprozentanteil von 25 nicht überschreiten. Als Nanopartikel 7 eignen sich Partikel aus Aluminiumoxyd, Siliziumoxyd, Siliziumcarbid, Zirkonoxyd oder Titanoxyd beson- ders . Die Nanopartikel 7 sorgen dafür, dass beim Aufprall von Tropfen, die Aufprallenergie besonders gut von der Schutzschicht 5 aufgenommen werden kann und besonders gleichmäßig eingeleitet wird. Die Nanopartikel 7 werden beim Aufschlag der Tropfen in Schwingungen versetzt. Durch die Schwingung der Nanopartikel 7 wird die Bewegungsenergie in Reibungsenergie umgewandelt und die Aufschlagenergie dadurch wirkungsvoll gedämpft. Um eine gute Schwingungsanregung zu ermöglichen und eine gute Vermischung zu erzielen, sollten die Nanopartikel einen Durchmesser von weniger als 100 nm aufweist. Die Kon- zentration der Nanopartikel 7 ist im äußeren Bereich der
Schutzschicht 5 hoch und nimmt mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche kontinuierlich ab. Eine solche ungleichmäßige Verteilung der Nanopartikel 7 über die Schichtdicke 5 ist sinnvoll, da die Aufschlagenergie der Tropfen im oberflächen- nahen Bereich besonders hoch ist und hier eine erhöhte Dämpfung erforderlich ist. Mit zunehmender Schichtdicke wird die Aufschlagenergie abgebaut, so dass dort weniger Nanopartikel 7 erforderlich sind.
Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 1. Die Figur 4 zeigt dabei eine Anströmkante einer Turbinenschaufel 1 entsprechend dem Detail Y in Figur 2. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel 1 umfasst die Schutzschicht 5 nicht den gesamten Schaufelblattabschnitt 3 sondern ist lediglich an der Anströmkante 6 der Turbinenschaufel 1 angebracht. Der einströmende Turbinendampf 14 trifft zunächst auf die Anströmkante 6, so dass diese der größten Einschlagsenergie ausgesetzt ist. Anschließend strömt der Turbinendampf dann mit wesentlich verringerter Strömungsenergie an der Oberfläche des Schaufelabschnittes 3 vorbei und verursacht dort keine nennenswerten Schäden. Das Anbringen der Schutzschicht im Bereich der Anströmkante 6 ist somit ausreichend um eine Zerstörung aufgrund von Tropfenschlagerosion wirkungsvoll zu verhindern.
Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass die erfindungsgemäße Schutzschicht, welche aus einem Material besteht, dessen Schlagzugzähigkeit größer ist als die Schlagzugzähigkeit des Faserverbundwerkstoffes der Turbinenschaufel, einen wirkungsvollen Schutz gegen Tropfenerosion an der Turbinenschaufel ermöglicht. Die erfindungsgemäße Schutzschicht sorgt somit für eine dauerhafte Unempfindlichkeit der Turbinen- schaufei gegen Tropfenschlagerosion. Die erfindungsgemäße
Turbinenschaufel ermöglicht dadurch einen dauerhaften Einsatz von Turbinenschaufel mit Faserverbundwerkstoffen bei vorhandener Tropfenerosion. Eine aufwendige Gestaltung der Turbinenschaufel wie sie in der Vergangenheit notwendig war, kann damit entfallen. Die Kosten für die Turbinenschaufeln lassen sich hierdurch erheblich reduzieren bei gleichzeitig erhöhter Lebensdauer .

Claims

Patentansprüche :
1. Turbinenschaufel (1) die zur Verwendung in einer Niederdruckstufe der Dampfturbine gestaltet ist und zumindest be- reichsweise Faserverbundwerkstoff enthält, wobei zumindest der den Faserverbundwerkstoff enthaltende Bereich (4) mit einer Schutzschicht (5) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) aus einem Material besteht, dessen Schlagzugzähigkeit größer ist als die Schlagzugzähig- keit des Faserverbundwerkstoff.
2. Turbinenschaufel oder Turbinenschaufelelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) aus einem Material besteht, dessen Härte größer ist als die Härte des Faserverbundwerkstoffes.
3. Turbinenschaufel oder Turbinenschaufelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) eine Shorehärte von wenigstens A70 aufweist.
4. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff Glasfasern und/oder Kunststofffasern und/oder Kohlenstofffasern und/oder Keramikfasern und/oder Aramidfasern enthält.
5. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) aus Polyurethan hergestellt ist.
6. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schutzschicht (5) zwischen 0,5 mm und 5 mm beträgt.
7. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) nur auf ero- sionsbeanspruchten Bereichen (6) der Turbinenschaufel (1) angebracht ist.
8. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) Nanopartikel (7) enthält.
9. Turbinenschaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (7) aus einer oder mehrerer der nachstehenden chemischen Verbindungen bestehen: Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Zirkonoxid, Titanoxid.
10. Turbinenschaufel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (7) kleiner als 100 nm sind.
11. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil Nanopartikel in der ganzen Beschichtung weniger als 25% beträgt.
12. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (38) in der Beschichtung ungleichmäßig verteilt sind.
13. Turbinenschaufel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanopartikelanteil in der Beschichtung mit zunehmendem Abstand von der Beschichtungsoberflache kontinuierlich abnimmt.
PCT/EP2009/065411 2008-12-11 2009-11-18 Turbinenschaufel mit beschichtung Ceased WO2010066548A1 (de)

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