WO2013011028A1 - Turbinenschaufel aus faserverbundwerkstoff - Google Patents

Turbinenschaufel aus faserverbundwerkstoff Download PDF

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Norbert Scheunert
Christian Seidel
Lutz Völker
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • Turbine blade made of fiber composite material The invention relates to a turbine blade made Faserver ⁇ composite material and a process for producing a turbine blade.
  • turbine blades are e.g. known for use in steam turbines. Furthermore, turbine blades are also used in wind turbines and in aircraft.
  • Turbine blades used in steam turbines are currently made of steel or similar metallic alloys. Steel has a high specific weight compared to other materials. In connection with occurring in turbine acting ⁇ feln high centrifugal forces, the maximum speed of a turbine blade is Klobuk upper limit due to the specific overall, totaling applies equally to the performance of the turbine.
  • Fiber composites are particularly suitable due to their high strength with a simultaneously low specific weight.
  • fiber composites for example, glass or carbon fibers are used in a matrix of polymers.
  • turbine blades made of fiber composite materials have a decisive disadvantage, which consists in the fact that the polymer matrix used is not permanently stable under the operating conditions of a turbine blade.
  • the polymer matrix used is not permanently stable under the operating conditions of a turbine blade.
  • steam turbines show a fine ge ⁇ saturated steam atmosphere at elevated temperatures leads to a hydrolytic breakdown of the matrix of the composite fiber material, which leads to a deterioration of mechanical properties of the turbine blade.
  • the object of the present invention is to provide a made of fiber composite materials in the essential chen turbine blade which under normal operating conditions of a turbine blade having a more stable behavior with respect to their me ⁇ chanical properties.
  • the object is achieved by a turbine blade according to the features of independent claim 1.
  • the turbine blade according to the invention consists of a fiber made from composite blade body, which substantially determines the geometry and extent of the turbine show ⁇ fel.
  • the blade body is surrounded according to the invention with egg ⁇ ner diffusion barrier layer.
  • the diffusion barrier layer surrounding the blade body acts as a water vapor barrier, which in a saturated
  • the invention a hydrolytic degradation of the matrix of the composite fiber material to ver ⁇ preventing or at least reducing the long term possible.
  • An inventive method for producing a turbine blade comprises the following steps:
  • FIG. 1 shows a schematic partial view of a section through a turbine blade according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic detail view of a beispielhaf ⁇ th layer structure within a Diffusionsbar ⁇ centering layer.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a section through a turbine blade 1 that can be used, in particular, for a steam turbine.
  • the turbine blade 1 consists of a blade body 2, which is made at least partially from fiber composite material and is produced at least partially or even completely from fiber composite material.
  • the fiber composite consists of a fiber material and a matrix.
  • the fiber material is in particular glass fiber or carbon fiber.
  • a composite of fiber mats is embedded in a matrix.
  • the matrix consists front ⁇ preferably made of a synthetic resin, and provides a connection of the fiber mats to one another.
  • the blade body 2 of the turbine blade 1 is at least partially with a diffusion barrier layer 3, in one
  • FIG. 1 has chosen a not necessarily to scale representation.
  • the layer thickness of the diffusion barrier layer 3 compared to the turbine blade 1 may have significantly smaller dimensions.
  • the said barrier film 3 can be constructed in several variants according to the embodiments of the invention described below.
  • FIG. 2 shows an initially uncoated polymer film 301.
  • the polymer film 301 is composed of a thermoplastic ⁇ plastic or chemically crosslinked polymer 31 such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyetherimide (PEI), polyetheretherketone (PEEK), polyvinyl lyphenylensulfid (PPS), polyether sulfone (PES), polyphenylene sulfone (PPSU), polyimide (PI) or Thermoplastic Polyu ⁇ rethane (TPU).
  • the thickness of the polymer film 31 moves before ⁇ preferably in a range between 10 and 500 ⁇ .
  • LCP liquid crystalline polymer
  • These films have due to the liquid crystalline ⁇ nen structure to very high barrier properties against water vapor.
  • ei ⁇ ne-coated polymer film 302 is provided as a diffusion barrier layer ⁇ . 3
  • the polymer sheet 302 corresponding to the polymer film 301 and is additionally provided with a diffusion barrier layer 32 beschich ⁇ tet.
  • the diffusion barrier layer 32 consists of vapor-deposited or sputtered layers based on metal or semiconductor oxides such as silicon oxide (SiOx), titanium oxide (TiOx), aluminum oxide (AlOx) or plasma polymer layers, which are applied by means of a chemical vapor deposition (CVD) process.
  • SiOx silicon oxide
  • TiOx titanium oxide
  • AlOx aluminum oxide
  • plasma polymer layers which are applied by means of a chemical vapor deposition (CVD) process.
  • CVD chemical vapor deposition
  • Layer thicknesses of the individual diffusion barrier layers 32 are for example in a range between 10 and 1000 nm.
  • a coated polymeric film may be provided 303, wherein a diffusion barrier layer 32 is combined with white ⁇ direct polymer layers 33rd
  • the further polymer layers 33 cause an additional protection of the diffusion barrier layer 32.
  • Po ⁇ lymer füren 33 consist of hybrid polymers which is applied by a wet chemical sol-gel (Silizi ⁇ umorganische structure).
  • a metallic foil 32 is seen as a diffusion barrier layer before ⁇ .
  • metal foils for example consisting of aluminum, titanium, copper, etc., and their alloys, so for example brass, etc.
  • the film thickness is for example in a range between 5 and 500 ⁇ .
  • Water vapor permeabilities of less than 0.001 g / m 2 / d can be achieved.
  • a laminate film is provided as a diffusion barrier layer.
  • the laminate film forms a combination of one or more metal or polymer films.
  • the layer thickness of each type of film is, for example, in a range between 10 and 300 ⁇ .
  • Remaining edges and joints are advantageously sealed by liquid, polymer-based barrier coatings. It is also advantageous to overlap the film onto the blade structure in order to increase the robustness and to avoid impacts. As a result, it may be possible to dispense with a sealing of the joints with paint systems.
  • the use of the diffusion barrier layer according to the invention makes it possible to realize a turbine blade 1 made of fiber composite materials in the ambient conditions customary for turbine blades.
  • the entire turbine blade 1 or even certain regions of the turbine blade 1 can be treated with fiber Form bundle material, wherein the turbine blade is protected in the manner described by the diffusion barrier layer from hydrolytic decomposition. Due to the lower weight, larger flow cross- sections can be realized in the turbine and the speed of the turbine can be increased. In this way, according to the invention carries the turbine blade 1 and the inventive method for Her ⁇ of the turbine blade in an increase in performance and the efficiency of the turbine at.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel (1) bestellt aus einem zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoff gefertigten Schaufelkörper und aus einer den Schaufelkörper (2) zumindest bereichsweise umgebenden Diffusionsbarriereschicht (3). Die den Schaufelkörper umgebende Diffusionsbarriereschicht wirkt als Wasserdampfbarriere, welche in einer gesättigten Dampfatmosphäre bei erhöhten Temperaturen einer Diffusion von Wasserdampf entgegenwirkt.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel aus Faserverbundwerkstoff Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel aus Faserver¬ bundwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel .
Aus dem Stand der Technik sind Turbinenschaufeln z.B. zum Einsatz in Dampfturbinen bekannt. Des Weiteren werden Turbinenschaufeln auch in Windkraftanlagen sowie in Flugzeugen eingesetzt .
In Dampfturbinen eingesetzte Turbinenschaufeln sind derzeit aus Stahl oder ähnlichen metallischen Legierungen gefertigt. Stahl hat im Vergleich zu anderen Werkstoffen ein hohes spezifisches Gewicht. In Zusammenhang mit den bei Turbinenschau¬ feln auftretenden hohen Fliehkräften ist die maximale Drehzahl einer Turbinenschaufel aufgrund des spezifischen Ge- wichts nach oben begrenzt, was in gleicher Weise für die Leistung der Turbine insgesamt gilt.
Zur Erhöhung der Leistung künftiger Turbinenschaufeln wird ein Einsatz alternativer Werkstoffe in Erwägung gezogen. Fa- serverbundwerkstoffe eigenen sich in besonderem Maß aufgrund ihrer hohen Festigkeit bei einem gleichzeitig geringem spezifischen Gewicht. Bei Faserverbundwerkstoffen werden beispielsweise Glas- oder Kohlefasern in einer Matrix aus Polymeren eingesetzt.
Turbinenschaufeln aus Faserverbundwerkstoffen haben jedoch einen entscheidenden Nachteil, welcher darin besteht, dass sich die eingesetzte polymere Matrix unter den Betriebsbedingungen einer Turbinenschaufel als nicht dauerhaft stabil er- weist. Insbesondere bei Dampfturbinenschaufein führt eine ge¬ sättigte Dampfatmosphäre bei erhöhten Temperaturen zu einem hydrolytischen Abbau der Matrix des Faserverbundwerkstoffs, welche zu einer Verschlechterung von mechanischen Eigenschaften der Turbinenschaufel führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine im wesentli- chen aus Faserverbundwerkstoffen bestehende Turbinenschaufel anzugeben, welche unter üblichen Betriebsbedingungen einer Turbinenschaufel ein stabileres Verhalten bezüglich ihrer me¬ chanischen Eigenschaften aufweist. Die Aufgabe wird durch eine Turbinenschaufel gemäß den Merk¬ malen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel besteht aus einem aus Faserverbundwerkstoff gefertigten Schaufelkörper, welcher im Wesentlichen die Geometrie und den Umfang der Turbinenschau¬ fel bestimmt. Der Schaufelkörper ist erfindungsgemäß mit ei¬ ner Diffusionsbarriereschicht umgeben.
Die den Schaufelkörper umgebende Diffusionsbarriereschicht wirkt als Wasserdampfbarriere, welche in einer gesättigten
Dampfatmosphäre bei erhöhten Temperaturen einer Diffusion von Wasserdampf entgegenwirkt.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung, einen hydro- lytischen Abbau der Matrix des Faserverbundwerkstoffs zu ver¬ hindert oder zumindest langfristig zu reduzieren.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel umfasst die folgenden Schritte:
- Herstellen eines Schaufelkörpers (2) aus Faserverbundwerk- Stoff;
- Herstellung einer planaren Diffusionsbarriereschicht;
- elastische Formung der planaren Diffusionsbarriereschicht anhand der Abmaße und Geometrie des Schaufelkörpers (2); - Aufkaschieren der geformten Diffusionsbarriereschicht (3) auf den Schaufelkörper (2); und;
- Versiegeln von Kanten und Stößen am Schaufelkörpers (2) durch polymerbasierte Barrierelack.
Ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Vorteilen und Ausgestal¬ tungen der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Teilansicht eines Schnitts durch eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel; und;
Fig. 2 eine schematische Detailansicht eines beispielhaf¬ ten Schichtenaufbaus innerhalb einer Diffusionsbar¬ riereschicht .
Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Schnitts durch einer insbesondere für eine Dampfturbine einsetzbare Turbinenschaufel 1. Die Turbinenschaufel 1 besteht aus einem zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoff gefertigten Schaufelkörper 2, welcher wenigstens bereichsweise oder auch vollständig aus Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Der der Faserverbundwerkstoff besteht aus einem Fasermaterial und einer Matrix. Als Fasermaterial eignet sich insbesondere Glasfaser oder Kohlenfaser. Ein Verbund aus Fasermatten ist dabei in einer Matrix eingebettet. Die Matrix besteht vor¬ zugsweise aus einem Kunstharz und sorgt für eine Verbindung der Fasermatten untereinander.
Der Schaufelkörper 2 der Turbinenschaufel 1 ist zumindest teilweise mit einer Diffusionsbarriereschicht 3, in einem
Ausführungsbeispiel einer Barrierefolie 3, umgeben, die eine hohe Diffusionsbarriere gegen Wasserdampf bildet.
Zugunsten einer prägnanteren Darstellung wurde in Fig. 1 eine nicht notwendigerweise maßstabsgetreue Darstellung gewählt. In realen Ausführungsformen kann die Schichtdicke der Diffusionsbarriereschicht 3 im Vergleich zur Turbinenschaufel 1 erheblich kleinere Ausmaße aufweisen. Die besagte Barrierefolie 3 kann in mehreren Varianten gemäß der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung aufgebaut sein.
In Fig. 2 ist eine zunächst unbeschichtete Polymerfolie 301 dargestellt. Die Polymerfolie 301 besteht aus einem thermo¬ plastischen oder chemisch vernetzten Polymer 31, beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET) , Polyethylennaphthalat (PEN), Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK) , Po- lyphenylensulfid (PPS) , Polyethersulfon (PES) , Polyphenylen- sulfon (PPSU) , Polyimid (PI) oder Thermoplastisches Polyu¬ rethan (TPU) . Die Dicke der Polymerfolie 31 bewegt sich vor¬ zugsweise in einem Bereich zwischen 10 und 500 μιη. Vorteil- haft erscheint weiterhin der Einsatz von Folien auf Basis von flüssigkristallinem Polymer (engl. Liquid crystalline poly- mer, LCP) . Diese Folien weisen aufgrund der flüssigkristalli¬ nen Struktur sehr hohe Barriereeigenschaften gegen Wasserdampf auf.
Gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist ei¬ ne beschichtete Polymerfolie 302 als Diffusionsbarriere¬ schicht 3 vorgesehen. Die Polymerfolie 302 entspricht der Polymerfolie 301 und ist zusätzlich mit einer Diffusionsbarriereschicht 32 beschich¬ tet. Die Diffusionsbarriereschicht 32 besteht aus bedampften oder aufgesputterten Schichten auf Basis von Metall- bzw. Halbleiteroxiden wie Siliziumoxid (SiOx) , Titanoxid (TiOx) , Aluminiumoxid (AlOx) oder Plasmapolymerschichten, die mittels eines Chemical Vapour Deposition (CVD) Prozesses aufgebracht werden. Gemäß einer Ausgestaltungsvariante des ersten Ausfüh¬ rungsbeispiels werden mehrere - nicht dargestellte - Diffu¬ sionsbarriereschichten 32 auf die Polymerfolie 31 aufge- bracht. Ein solches Mehrschichtsystem gestattet in vorteil¬ hafter Weise eine Steigerung der Barrierewirkung. Die
Schichtdicken der einzelnen Diffusionsbarriereschichten 32 liegen beispielsweise in einem Bereich zwischen 10 und 1.000 nm.
Weiterhin kann eine beschichtete Polymerfolie 303 vorgesehen sein, bei welcher eine Diffusionsbarriereschicht 32 mit wei¬ teren Polymerschichten 33 kombiniert wird. Die weiteren Polymerschichten 33 bewirken einen zusätzlichen Schutz der Diffusionsbarriereschicht 32. Gemäß einer Ausgestaltungsvariante bestehen die weiteren Po¬ lymerschichten 33 aus Hybridpolymeren bestehen, die über einen nasschemischen Sol-Gel-Prozess aufgebracht wird (Silizi¬ umorganische Struktur) . Durch eine Kombination einer anorganischen Siliciumoxidschicht bzw. SiOx-Schicht als Diffusions- barriereschicht 32 mit einer Hybridpolymerschicht 33 kann die Diffusionsbarrierewirkung einer PET-Folie beispielsweise um einen Faktor von 500 verbessert werden
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung ist eine metallische Folie 32 als Diffusionsbarriereschicht vor¬ gesehen. Hierbei ist ein Einsatz von Metallfolien, beispielsweise bestehend aus Aluminium, Titan, Kupfer etc. und deren Legierungen, also z.B. Messing usw., vorgesehen. Die Foliendicke liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 5 und 500 μιη. Für Sperrfolien auf Basis von Aluminiumfolie können
Wasserdampfdurchlässigkeiten von weniger als 0,001 g/m2/d erreicht werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung ist eine Laminatfolie als Diffusionsbarriereschicht vorgesehen. Die Laminatfolie bildet dabei eine Kombination einer oder mehrerer Metall- bzw. Polymerfolien. Die Schichtdicke jedes Folientyps liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 10 und 300 μιη. Das Aufbringen einer jeweiligen Folie auf die Fa- serverbundschaufel 2 kann über eine Lamination mit einer zu¬ sätzlichen Klebeschicht zwischen Barrierefolie und Schaufel¬ körper erfolgen. Zur Anpassung der einzelnen Schichten auf die Geometrie des Schaufelkörpers ist es vorteilhaft, Krümmungen und Biegera¬ dien des Schaufelkörpers in einem Modell nachzubilden. Anhand dieses Modells werden die einzelnen Folien bzw. Schichten ei- ner elastischen Verformung, beispielsweise Tiefziehverformung unterzogen, bevor die einzelnen Folien bzw. Schichten auf den Schaufelkörper aufkaschiert werden.
Verbleibende Kanten und Stöße werden in vorteilhafter Weise durch flüssige, polymerbasierte Barrierelacke versiegelt. Vorteilhaft ist es weiterhin die Folie überlappend auf die Schaufelstruktur aufzuziehen um die Robustheit zu steigern und Stöße zu vermeiden. Dadurch kann gegebenenfalls auf eine Versiegelung der Stöße mit Lacksystemen verzichtet werden.
Durch den erfindungsgemäßen Oberflächenschutz einer Turbinenschaufel 1 mittels einer Diffusionsbarriereschicht 3 wird ein Eindringen von Wasserdampf unter Betriebsbedingungen der Turbinenschaufel 1 erheblich reduziert.
Dadurch kann ein hydrolytischer Abbau der Harzmatrix verhindert oder zeitlich deutlich verzögert werden, was zu einer verbesserten Lebensdauer der Turbinenschaufel 1 führt. Die Erfinder konnten in experimentellen Untersuchungen nachweisen, dass sich die mechanischen Eigenschaften herkömmlicher Faserverbundmaterialien bezüglich ihres Elastizitätsmoduls und ihrer Festigkeit bereits nach 30 Tagen Wasserdampf¬ belastung überkritisch reduzieren können.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Diffusionsbarriereschicht ist eine Realisierung einer Turbinenschaufel 1 aus Faserverbundmaterialien in den für Turbinenschaufeln üblichen Umgebungsbedingungen möglich.
Mit dem dargestellten Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel 1 lässt sich die gesamte Turbinenschaufel 1 oder auch bestimmte Bereiche der Turbinenschaufel 1 mit Faserver- bundwerkstoff ausbilden, wobei die Turbinenschaufel in der beschriebenen Weise durch die Diffusionsbarriereschicht vor einer hydrolytischen Zersetzung geschützt wird. Durch das geringere Gewicht lassen sich größere Durchström¬ querschnitte bei der Turbine realisieren und die Drehzahl der Turbine erhöhen. Hierdurch trägt die erfindungsgemäße Turbi¬ nenschaufel 1 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Her¬ stellen der Turbinenschaufel zu einer Erhöhung der Leistung und des Wirkungsgrades der Turbine bei.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel bestehend aus einem zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoff gefertigten Schaufelkörper (2) und aus einer den Schaufelkörper (2) zumindest bereichsweise umgebenden Diffusionsbarriereschicht (3) .
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Diffusionsbarriereschicht (3) aus mindestens einer unbeschichteten oder beschichteten Polymerfolie (302) besteht .
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beschichtete Polymerfolie (302) mittels eines Auf¬ dampfungsverfahren und/oder einem Sputterverfahren beschichtet ist.
4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beschichtete Polymerfolie (302) mit Metall- und/oder Halbleiteroxiden beschichtet ist.
5. Turbinenschaufel nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beschichtete Polymerfolie (302) mit mindestens einer Plasmapolymerschicht beschichtet ist, wobei die Plasmapoly¬ merschicht über einen Chemical Vapour Deposition Prozess auf- gebracht ist.
6. Turbinenschaufel nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Diffusionsbarriereschicht (2) durch ein Mehrschicht- System gebildet ist.
7. Turbinenschaufel nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriereschicht (303) eine Siliciumoxid- schicht (32) und eine Hybridpolymerschicht (33) umfasst, wo¬ bei die Hybridpolymerschicht (33) mittels eines nasschemi¬ schen Sol-Gel-Prozess aufgebracht ist.
8. Turbinenschaufel nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Diffusionsbarriereschicht (2) aus einer metallischen Schicht oder einer metallischen Legierungsschicht besteht.
9. Turbinenschaufel nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Diffusionsbarriereschicht (2) aus Laminatfolie be¬ steht, die Laminatfolie umfassend eine Kombination aus einer Mehrzahl von Metall- bzw. Polymerfolien.
10. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel, umfassend die folgenden Schritte:
- Herstellen eines Schaufelkörpers (2) aus Faserverbundwerk- stoff;
- Herstellung einer planaren Diffusionsbarriereschicht;
- elastische Formung der planaren Diffusionsbarriereschicht anhand der Abmaße und Geometrie des Schaufelkörpers (2); und;
- Aufkaschieren der geformten Diffusionsbarriereschicht (3) auf den Schaufelkörper (2) .
11. Verfahren nach Anspruch 10, umfassend den Schritt:
- Versiegeln von Kanten und Stößen am Schaufelkörpers (2) durch einen Barrierelack auf Polymerbasis.
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