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WO2012113623A1 - Turbinenschaufel sowie verfahren zum herstellen einer turbinenschaufel - Google Patents

Turbinenschaufel sowie verfahren zum herstellen einer turbinenschaufel Download PDF

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Publication number
WO2012113623A1
WO2012113623A1 PCT/EP2012/051654 EP2012051654W WO2012113623A1 WO 2012113623 A1 WO2012113623 A1 WO 2012113623A1 EP 2012051654 W EP2012051654 W EP 2012051654W WO 2012113623 A1 WO2012113623 A1 WO 2012113623A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
turbine blade
erosion
layer
protection
layers
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/051654
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anett Berndt
Norbert Scheunert
Christian Seidel
Lutz Völker
Heinrich Zeininger
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2012113623A1 publication Critical patent/WO2012113623A1/de

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    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade, in particular a turbine blade for a steam turbine, and a Ver ⁇ drive for producing such a turbine blade.
  • Turbine blades of a turbine stage of a turbine are exposed to high stresses.
  • the turbine blades are ⁇ NEN affected by high Tropfenschlagerosi- onsbe publishedung.
  • the high loads affect the life of the turbine blade, in particular the final stage blades, a Kondensationsdampfturbine significantly ⁇ .
  • the turbine blades and in particular the turbine blades of steam turbines are currently predominantly made of steel.
  • Fiber composites have the advantage of high specific strength at at the same time low weight.
  • the erosion burden increases again significantly. Water drops with a size of about 25 to 400 microns, in particular of about 100 ⁇ and a relative speed of about 490 m / s can occur on the blade surface.
  • Turbine blades of a fiber composite material however, already destroyed at lower Geschwindigkei ⁇ th drop of water in a few minutes. In order to counteract the high level of wear on turbine blades made of fiber composite materials, it is therefore necessary to form them with special erosion protection.
  • a hybrid multi-component blade or vane of a steam turbine is known, the core of which is formed of a company server ⁇ composite material on the surface thereof and an erosion coating made of polyurethane is provided.
  • a protective cap is additionally arranged on the erosion coating.
  • This protective cap is made of titanium because titanium has greater erosion resistance than the fiber composite and erosion protection coating. Due to the solid wasbil ⁇ Deten protective cap made of titanium, however, goes in the field of
  • Elastomeric coating can bring to bear its damping property in Wesentli ⁇ chen full.
  • German patent application 10 2009 047 798.5 of the applicant it is further known form trainees erosion protection component with a multi-layered structure.
  • the multi-layered structure is a graduated structure with different layers.
  • the outer layer consists of a very hard and erosi onsunform material.
  • Under the first layer ei ne second elastic and / or visco-elastic layer is integrally ⁇ arranged, which ensures that produced by the drop Kör ⁇ perschallwellen be largely absorbed.
  • the following layer is a glass mat and the underlying one
  • the erosion protection layer can be adapted to the complex geometry of the turbine blade only with difficulty, so that full application of the
  • the turbine blade according to the invention which consists of a fiber composite material at least be ⁇ includes an erosion protection, which is at least partially disposed on the surface of the turbine blade, the Erosi ⁇ onstik consists of at least two polymeric layers and at least two metallic layers, the alternating are arranged one above the other.
  • the essential advantage of this multilayer coating compared to an erosion protection, which consists only of a metallic and a polymeric layer, is that the multi-layer erosion protection has a higher forming capacity. This ensures a simple and robust geometry adjustment and a full-surface application of the protective layer, especially in the area of the leading edge. The application of the multilayer coating can take place during the manufacturing process of the turbine blade or afterwards.
  • the erosion protection consisting of alternately arranged polymeric and metallic layers, offers over the known from the prior art layers, with only a metallic layer and an elastic or viscoelastic layer and underlying glass mats or glass fabrics, a significantly increased erosion protection.
  • a destruction of the first sheet layer consisting of a metal and a polymeric layer does not occur UNMIT ⁇ telbar to the destruction of the entire turbine blade, since the underlying sheet layer consisting of another metal and a further polymeric layer further provide an effective protection against erosion. Due to the additional arrangement of further metallic polymeric layers erosion protection can be easily adapted to the respective requirements.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the outer layer of the erosion protection a metal lische layer is.
  • the metallic layer has the advantage that it ensures a particularly good erosion protection with high energy absorption.
  • the polymeric layer disposed under the metallic layer essentially provides mechanical damping.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the metallic layer consists of steel, of aluminum, of an aluminum alloy, of titanium, of a titanium alloy, of magnesium or of a magnesium alloy. Due to their high energy- absorbing capacity, these materials have a particularly high protection against drop impact erosion.
  • a further preferred embodiment of the invention provides that the polymeric layer of polyurethane, a thermoplastic elastomer, in particular a thermoplastic polyurethane, or a rubber, in particular a hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber, chloroprene, isoprene, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM ) or a fluororubber.
  • a thermoplastic elastomer in particular a thermoplastic polyurethane
  • a rubber in particular a hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber, chloroprene, isoprene, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM ) or a fluororubber.
  • EPDM ethylene-propylene-diene rubber
  • the turbine blade according to the invention has a metallic layer with a layer thickness of 0.05 to 0.5 mm in a particular ⁇ DERS preferred embodiment of the invention.
  • a layer thickness of this order of magnitude ensures, on the one hand, a high formability of erosion protection and, on the other hand, sufficient protection against drop impact erosion.
  • a further preferred embodiment of the invention provides that the polymeric layer has a layer thickness of 0.02 to 1 mm.
  • a layer thickness in this size ge ⁇ ensures a sufficient mechanical damping and enables maintaining a high forming capability of the erosion protection.
  • the cohesive connection can simply rely on the surface of the turbine blade he ⁇ followed by gluing or melting.
  • the positive connection is effected by plasti ⁇ cal forming the erosion protection for optimized mechanical connection.
  • the method for producing the turbine blade provides that the Her ⁇ position the turbine blade and the connection of the turbine blade with the erosion protection by means of a prepreg or resin transfer molding method (RTM) take place.
  • RTM resin transfer molding method
  • the special design or the specific characteristics ⁇ shaft of the multi-layer film comprising at least two me ⁇ -metallic and two polymeric layers, which are laminated in alternie ⁇ render sequence above one another, results in an erosion protection with a particularly high and good forming property, thereby a simple and robust geo ⁇ metric adjustment and a full-surface application of the protective layer is ensured especially in the area of the leading edges.
  • the erosion protection layers used hitherto have only limited reshaping capability, whereby a coating with an erosion protection layer proved to be difficult or even impossible especially in the area of the leading edges.
  • the turbine blade according to the invention with the multilayer protective layer comprises at least two polymeric protective ⁇ layers and at least two metallic layers, thus ensuring an improved protection against erosion and thus egg ne increased service life of the turbine blade.
  • the turbine blade is particularly suitable for use in steam turbines and ⁇ especially for Endgenlaufschaufei at Kon ⁇ densationsdampfturbinen, where an increased drop erosion load occurs.
  • FIG. 1 A detailed view of a leading edge of an inventive ⁇ SEN turbine blade of FIG. 1
  • FIG. 1 shows a side view of a turbine blade 1, which can be used in particular as an end stage rotor blade for a steam turbine.
  • the turbine blade 1 is formed from a fiber composite material.
  • several layers of fiber mats are arranged one above the other.
  • the mats so that the main fiber direction are aligned according to the main stress ⁇ direction of the turbine blade 1.
  • a fiber ⁇ material is particularly suitable glass fiber or carbon fiber.
  • the fiber mats are embedded in a matrix.
  • the matrix is preferably made of a synthetic resin and provides for a connection of the fiber mats with each other. However, the matrix itself can not absorb high tensile forces.
  • the turbine blade 1 is due to the Faserverbundtechnikstof ⁇ fes very sensitive to drop impact erosion.
  • the turbine blade 1 comprises an erosion protection 2, which is at least partially arranged on the surface of the turbine blade. 1
  • the erosion protection 2 is arranged at the leading edge 6 of the turbine blade 1.
  • the leading edge 6 is most of Trop ⁇ fenschlagerosion risk because the water drops substantially impinge here.
  • the erosion protection 2 is mounted in the embodiment only in the upper half of the leading edge 6. In this region of the leading edge 6, there is the greatest erosion stress, since during operation of the turbine here the largest peripheral speeds occur.
  • the erosion protection 2 is preferably inserted into the blade contour of the turbine blade 1 in such a way that a smooth transition occurs without edges between the erosion protection 2 and the turbine blade 1.
  • the turbine blade 1 additionally comprises a second Erosi ⁇ onstik 2 at the trailing edge 7 of the turbine blade. 1
  • the trailing edge 7 is not very susceptible to erosion, as there is no drop impact here.
  • the erosion protection 2 at the trailing edge 7, the turbine blade 1, is provided for the ventilation operation.
  • water is sprayed from behind against the Turbinenschau- fei. 1 In this case, under unfavorable conditions, water drops may impinge on the outlet edge 7 of the turbine blade 1. This can then lead to an increased erosion load on the trailing edge 7.
  • the Erosion protection component 2 at the trailing edge 7 can We ⁇ kungsvoll prevent damage to the turbine blade in this area.
  • the erosion protection device can thereby be connected to the turbine blade 1 directly to the lung herstel ⁇ the turbine blade 1 by means of a resing Transfer Mode ling method (RTM) or by means of prepreg process.
  • RTM Transfer Mode ling method
  • Connecting the Erosi ⁇ onstikes 2 with the turbine blade 1 can also retrospectively borrowed by means of mass and / or form-locking connection. As cohesive bonding is gluing or melting on. The form-fitting connection takes place by plastic deformation of the erosion shield 2.
  • additional fastening can restriction means in particular be ver ⁇ employs screws, rivets or pins, which connects the turbine blade 1 with the erosion ⁇ protection. 2
  • FIG. 2 shows a detailed view of the turbine blade 1 with the erosion protection 2.
  • the erosion protection 2 is at least two metal layers 3 are formed, which are arranged one above the other ternierend al ⁇ a so-called multi-layer of at least two polymeric layers 4 and.
  • the erosion protection 2 must be erosion-stable, ie have a high mechanical stability against drop impact erosion.
  • he must offer a good formability, so that he can adapt well to the profile of the turbine blade 1 and thus can be arranged over the entire surface of the turbine blade 1.
  • high Energyfä ⁇ ability and a good hydrolysis resistance are necessary.
  • erosion protection 2 as a multilayer, with alternately arranged over ⁇ layers of a polymer and a metal.
  • the outer layer of erosion protection 2 is a metallic layer 3.
  • a metallic layer 3 is particularly suitable steel, aluminum or aluminum alloys, titanium or titanium alloys, magnesium or magnesium alloys. These materials offer a high erosion protection, high mechanical stability and high energy absorption capability ⁇ ness.
  • polymeric layer 4 is particularly Polyu ⁇ rethane, thermoplastic elastomers, thermoplastic Polyu ⁇ Rethane, or rubber are suitable, especially hydrogenated acrylonitrile butadin rubber, chloroprene, isoprene, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) or fluorine rubber. These polymers provide good damping of the impact energy of the on ⁇ impinging water droplets.
  • metal layers 3 having a thickness of 0.05 to 0.5 mm, in particular of titanium forcedge ⁇ represents.
  • Particularly suitable polymer layer 4 ei ⁇ ne polymer layer of polyurethane having a layer thickness Zvi ⁇ rule 0.02 and 1.0 mm has been found.
  • the production of a multilayer layer 2 of rubber and metal can be carried out by pressing the metal with the rubber, wherein the rubber is applied with or without adhesion promoter or primer on the metal layer.
  • the connection between the layers can be effected by lamination (hot lamination) or compression (hot-pressing) or by means of melting-on bonding techniques by means of other methods.
  • an additional layer between the erosion shield 2 and the turbine blade 1 can be arranged at ⁇ play, from fiber mats or resin-impregnated fiber mats (prepregs). 5
  • erosion protection 2 Due to the formation of erosion protection 2 as a multilayer with layers of polymer and metallic layers arranged alternately one above the other, an erosion layer results. contactor 2, which has a particularly high formability.
  • This specific property of the multilayer structure allows a simple and rugged geometry adjustment and a full-surface (part-area) applying the erosion ⁇ guard 2 specifically in the field of Anströmkantekante (leading edge) during the bucket manufacturing process or subsequent to the manufacturing process of the turbine blade.
  • the use of a multilayer with layers of metal and polymer results in particularly good erosion protection.
  • the metallic layer 3 provides through its high hardness for a particularly good mecha ⁇ American protection against drop impact erosion and ensures high energy absorption capability.
  • the polymeric layers 4 ensure that the drops impact energy is attenuated and can not propagate into the fiber composite material of the turbine blade. 1 By combining the two layer materials a particularly good erosion ⁇ protection is guaranteed.
  • FIG. 3 shows a detailed view of the turbine blade 1 shown in FIG. 1.
  • the detailed view shows the leading edge 6 of the turbine blade 1.
  • FIG. 3 shows clearly how the erosion protection 2 fits into the blade contour of the turbine blade 1.
  • the turbine blade 1 is prepared so that after inserting the erosion protection 2, the final blade contour of the turbine blade 1 results. Between the erosion protection 2 and the turbine blade 1 results in a smooth transition without any edge. The flow conditions on the turbine blade 1 thus remain completely intact and tearing off of the flow at the transition from the erosion protection 2 to the turbine blade 1 is avoided.
  • the compound Zvi ⁇ rule of the turbine blade 1 and the erosion shield 2 by the lamination of the erosion protection is 2.
  • the Erosion protection part 2 secured with additional fastening means 7, in particular screws, rivets or pins.
  • the fastening means 7 provide additional security against loosening of the erosion protector 2, in particular in an error- ⁇ exemplary lamination.
  • the turbine blade according to the invention provides by the Erosi ⁇ onstik consisting of at least two polymeric layers and at least two metallic layers which are arranged alternately one above the other, onstikbau now improved protection against drop impact erosion compared to the previously used Erosi-.
  • the use of the alternately stacked layers results in a particularly high deformation capacity of the erosion protection, whereby a full-surface arrangement of the erosion protection is also possible on kompli ⁇ ed geometric shapes of the turbine blade. Due to the high deformation capacity of the erosion protection, in particular the heavily loaded leading edge of the turbine blade can be effectively protected against drop impact erosion.
  • he erosion protection turbine blades which are made of Fa ⁇ server composite material can be used also in Tropfenschlag- prone environment, especially in the wet steam region of condensing steam turbines, without causing premature destruction of the turbine blade.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1), die zumindest bereichsweise aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, umfassend einen Erosionsschutz (2), der zumindest bereichsweise an der Oberfläche der Turbinenschaufel (1) angeordnet ist. Der Erosionsschutz (2) besteht aus wenigstens zwei metallischen Schichten (3) und wenigstens zwei polymeren Schichten (4), die alternierend übereinander angeordnet sind. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel (1) mit einem solchen Erosionsschutz (2).

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel sowie Verfahren zum Herstellen einer Turbi¬ nenschaufel
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Turbinenschaufel für eine Dampfturbine, sowie ein Ver¬ fahren zum Herstellen einer solchen Turbinenschaufel. Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe einer Turbine sind hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Insbesondere bei Dampfturbi¬ nen sind die Turbinenschaufeln durch hohe Tropfenschlagerosi- onsbeanspruchung belastet. Die hohen Belastungen beeinflusst die Lebensdauer der Turbinenschaufel, insbesondere der End- stufenlaufschaufeln, einer Kondensationsdampfturbine maßgeb¬ lich. Um den hohen Tropfenschlagerosionsbeanspruchungen entgegenzuwirken, sind die Turbinenschaufeln und insbesondere die Turbinenschaufeln von Dampfturbinen derzeit vorwiegend aus Stahl gefertigt. Aufgrund des hohen Gewichtes der Stahl- turbinenschaufel und den daraus resultierenden hohen Flieg¬ kräften sind die Drehzahl, sowie die maximale Schaufellänge der Endstufenlaufschaufei , begrenzt. Hierdurch sind die Ab¬ strömfläche des Abströmgehäuses und damit die Leistung sowie der Wirkungsgrad der Turbine jedoch limitiert. Zudem sorgt die Tropfenschlagerosion, selbst bei gehärtetem Stahl, für einen Verschleiß an den Turbinenschaufeln, so dass diese regelmäßig ausgewechselt werden müssen.
Um die Beständigkeit gegen Tropfenschlagerosion zu erhöhen und das Gewicht der Turbinenschaufel zu reduzieren, werden auch Turbinenschaufeln aus Titan bzw. Titanlegierungen eingesetzt. Aufgrund der höheren Materialkosten steigt jedoch der Preis für die Turbinenschaufeln erheblich an. Um die Leistung und den Wirkungsgrad bei Turbinen zu steigern wird zunehmend über den Einsatz von Endstufenlaufschaufeln aus Faserverbundwerkstoff nachgedacht. Faserverbundwerkstoffe haben den Vorteil einer hohen spezifischen Festigkeit, bei gleichzeitig geringem Gewicht. Beim Einsatz von Faserverbund¬ werkstoffen mit einem angestrebten höheren Produkt aus Fläche mal Drehzahl steigt jedoch die Erosionsbelastung noch einmal deutlich an. Wassertropfen mit einer Größe von ca. 25 bis 400 um, insbesondere von ca. 100 μπι und einer relativen Geschwindigkeit von über 490 m/s können dabei auf der Schaufeloberfläche auftreten. Turbinenschaufeln aus einem Faserverbundwerkstoff werden jedoch schon bei geringeren Geschwindigkei¬ ten der Wassertropfen in wenigen Minuten zerstört. Um den ho- hen Verschleiß bei Turbinenschaufeln aus Faserverbundwerkstoffen entgegen zu treten, ist es deshalb notwendig, diese mit einem speziellen Erosionsschutz auszubilden.
Aus der US 2003/0129061 AI ist eine hybride Mehrkomponenten- schaufei einer Dampfturbine bekannt, deren Kern aus einem Fa¬ serverbundwerkstoff ausgebildet ist und an deren Oberfläche ein Erosionsüberzug aus Polyurethan vorgesehen ist. An der Vorder- und/oder Hinterkante der Turbinenschaufel ist auf dem Erosionsüberzug zusätzlich eine Schutzkappe angeordnet. Diese Schutzkappe ist aus Titan ausgebildet, da Titan eine größere Erosionsbeständigkeit als der Faserverbundwerkstoff und der Erosionsschutzüberzug aufweist. Aufgrund der massiv ausgebil¬ deten Schutzkappe aus Titan geht jedoch im Bereich der
Schutzkappe die dämpfende Eigenschaft des Erosionsüberzugs verloren. Die Anordnung der Schutzkappe und deren dauerhafte Befestigung erweisen sich zudem als schwierig. Außerdem sorgt die massiv ausgebildete Schutzkappe für eine Erhöhung des Ge¬ wichtes der Turbinenschaufel. Aus der PCT/EP2010/066299 der Anmelderin ist eine Turbinenschaufel bekannt, die an ihrer Schaufeloberfläche eine hoch¬ elastische Elastomerbeschichtung aufweist, welche mit einer dünnen energieabsorbierenden Metallbeschichtung versehen ist. Die dünne energieabsorbierende Metallbeschichtung ist dabei so ausgebildet, dass die unter ihr liegende hochelastische
Elastomerbeschichtung ihre dämpfende Eigenschaft im Wesentli¬ chen voll zur Geltung bringen kann. Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentannmeldung 10 2009 047 798.5 der Anmelderin, ist es weiter bekannt, ein Erosionsschutzbauteil mit einem mehrschichtigen Aufbau auszu bilden. Bei dem mehrschichtigen Aufbau handelt es sich um ei nen graduierten Aufbau, mit unterschiedlichen Schichten. Die äußere Schicht besteht dabei aus einem sehr harten und erosi onsunempfindlichen Material. Unter der ersten Schicht ist ei ne zweite elastische und/oder viskoelastische Schicht ange¬ ordnet, die dafür sorgt, dass von den Tropfen erzeugte Kör¬ perschallwellen weitgehend absorbiert werden. Die nachfolgen de Schicht ist eine Glasmatte und die darunterliegende
Schicht ein Glasgewebe. Die Glasmatte und das Glasgewebe sor gen für eine besonders gute Verbindung zum Faserverbundwerkstoff der Turbinenschaufel. Nachteilig an der Verwendung der Glasmatte bzw. des Glasgewebes ist jedoch das geringe Umfor¬ mungsvermögen. Hierdurch kann die Erosionsschutzschicht nur schwer an die komplexe Geometrie der Turbinenschaufel ange- passt werden, so dass ein vollflächiges Aufbringen der
Schutzschicht erschwert ist. Zudem sorgt bei dem beschriebe¬ nen schichtförmigen Aufbau lediglich die äußere sehr harte Schicht für den eigentlichen Schutz gegen Tropfenschlagerosi on. Bei Zerstörung dieser Schicht kommt es zu einer raschen Zerstörung der darunterliegenden Schichten und damit nachfol gend zur Zerstörung der gesamten Turbinenschaufel.
Ausgehend vom vorliegenden Stand der Technik ist es somit Aufgabe der Erfindung eine Turbinenschaufel bereitzustellen, die einen verbesserten Erosionsschutz gegen Tropfenschlagero sion aufweist. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Turbinenschaufel bereitzustellen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Turbinenschaufel durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Erfindung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel, die zumindest be¬ reichsweise aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, umfasst ein Erosionsschutz, der zumindest bereichsweise an der Oberfläche der Turbinenschaufel angeordnet ist, wobei der Erosi¬ onsschutz aus wenigstens zwei polymeren Schichten und wenigs- tens zwei metallischen Schichten besteht, die alternierend übereinander angeordnet sind. Der wesentliche Vorteil dieser Multilayer-Schicht gegenüber einem Erosionsschutz, welcher lediglich aus einer metallischen und einer polymeren Schicht besteht, liegt darin, dass der mehrschichtige Erosionsschutz ein höheres Umformungsvermögen aufweist. Hierdurch wird eine einfache und robuste Geometrieanpassung und eine vollflächige Aufbringung der Schutzschicht, speziell im Bereich der Anströmkante gewährleistet. Das Aufbringen der Multilayer- Schicht kann dabei während des Herstellungsprozesses der Tur- binenschaufel oder danach erfolgen.
Der Erosionsschutz, bestehend aus alternierend angeordneten polymeren und metallischen Schichten, bietet gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Schichten, mit lediglich einer metallischen Schicht und einer elastischen bzw. viskoe- lastischen Schicht und darunter angeordneten Glasmatten bzw. Glasgeweben, einen deutlich erhöhten Erosionsschutz. Bei einer Zerstörung der ersten Schichtlage bestehend aus einer metallischen und einer polymeren Schicht kommt es nicht unmit¬ telbar zur Zerstörung der gesamten Turbinenschaufel, da die darunterliegende Schichtlage, bestehend aus einer weiteren metallischen und einer weiteren polymeren Schicht weiterhin für einen wirkungsvollen Erosionsschutz sorgen. Durch die zusätzliche Anordnung weiterer metallischer polymerer Schichten kann der Erosionsschutz an die jeweiligen Anforderungen leicht angepasst werden.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die äußere Schicht des Erosionsschutzes eine metal- lische Schicht ist. Die metallische Schicht hat den Vorteil, dass sie einen besonders guten Erosionsschutz bei hoher Energieaufnahme gewährleistet. Die unter der metallischen Schicht angeordnete polymere Schicht sorgt im Wesentlichen für eine mechanische Dämpfung.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die metallische Schicht aus Stahl, aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung, aus Titan, aus einer Titanlegierung, aus Magnesium oder aus einer Magnesiumlegierung besteht. Diese Materialien weisen aufgrund ihrer hohen Energie¬ aufnahmefähigkeit einen besonders hohen Schutz gegen Tropfenschlagerosion auf.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die polymere Schicht aus Polyurethan, aus einem thermoplastischen Elastomer, insbesondere einem thermoplastischen Polyurethan, oder einem Kautschuk, insbesondere einem hydrierten Acrylnitrilbutadin-Kautschuk, Chloropren, Isopren, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder einem Fluorkautschuk besteht. Diese Polymere weisen eine besonders gute dämpfende Eigenschaft auf.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel weist in einer beson¬ ders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine metallische Schicht mit einer Schichtdicke von 0,05 bis 0,5mm auf. Eine Schichtdicke in dieser Größenordnung gewährleistet zum einen ein hohes Umformungsvermögen des Erosionsschutzes und zum an¬ deren einen hinreichenden Schutz gegen Tropfenschlagerosion.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die polymere Schicht eine Schichtdicke von 0,02 bi 1 mm aufweist. Eine Schichtdicke in dieser Größenordnung ge¬ währleistet eine ausreichende mechanische Dämpfung und ermög licht gleichzeitig ein hohes Umformungsvermögen des Erosions Schutzes . Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer erfin- dungsgemäßen Turbinenschaufel zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:
- Herstellen der Turbinenschaufel und nachfolgendes oder gleichzeitiges
- stoff- und/oder formschlüssiges Verbinden des Erosions¬ schutzes mit der Turbinenschaufel.
Das stoffschlüssige Verbinden kann dabei einfach durch Kleben oder Aufschmelzen auf die Oberfläche der Turbinenschaufel er¬ folgen. Das formschlüssige Verbinden erfolgt durch plasti¬ sches Umformen des Erosionsschutzes zur optimierten mechanischen Anbindung. Eine erfindungsgemäß bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen der Turbinenschaufel sieht vor, dass die Her¬ stellung der Turbinenschaufel und das Verbinden der Turbinenschaufel mit dem Erosionsschutz mittels eines Prepreg- oder Resin-Transfer-Molding-Verfahrens (RTM) erfolgen. Hierdurch können das Herstellen der Turbineschaufel und das Aufbringen des Erosionsschutzes in einem Arbeitsschritt erfolgen. Dies verkürzt die Herstellungszeit und die Herstellungskosten er¬ heblich und sorgt für eine sehr sichere Verbindung zwischen der Turbinenschaufel und dem Erosionsschutz.
Durch die spezielle Ausbildung bzw. die spezifische Eigen¬ schaft der Multilayer-Schicht , umfassend wenigstens zwei me¬ tallische und zwei polymerische Schichten, die in alternie¬ render Abfolge übereinander geschichtet sind, ergibt sich ein Erosionsschutz mit einem besonders hohen und gutem Umformungsvermögen, hierdurch wird eine einfache und robuste Geo¬ metrieanpassung und ein vollflächiges Aufbringen der Schutzschicht speziell im Bereich der Anströmkanten gewährleistet. Die bislang verwendeten Erosionsschutzschichten weisen ledig- lieh ein begrenztes Umformungsvermögen auf, wodurch sich speziell im Bereich der Anströmkanten eine Beschichtung mit einer Erosionsschutzschicht als schwierig oder gar unmöglich erwies . Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel mit der Multilayer- Schutzschicht , besteht aus wenigstens zwei polymeren Schutz¬ schichten und wenigstens zwei metallischen Schichten, gewährleistet somit einen verbesserten Erosionsschutz und damit ei- ne erhöhte Lebensdauer der Turbinenschaufel. Die Turbinen¬ schaufel eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Dampf¬ turbinen und speziell für die Endstufenlaufschaufei bei Kon¬ densationsdampfturbinen, bei denen eine erhöhte Tropfenerosionsbelastung auftritt.
Nachfolgend werden weitere Vorteile der Erfindung anhand ei¬ nes Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt schematisch:
- Figur 1 :
Eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel;
- Figur 2 :
Eine Detailansicht der in Figur 1 gezeigten Turbinenschaufel;
- Figur 3:
Eine Detailansicht einer Eintrittskante einer erfindungsgemä¬ ßen Turbinenschaufel nach Figur 1.
Die Figuren zeigen jeweils stark vereinfachte schematische Darstellungen der Erfindung, bei denen nur die wesentlichen zur Erfindung notwendigen Bauteile gezeigt sind. Gleiche, bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine Turbinenschaufel 1 in Seitenansicht, die insbesondere als Endstufenlaufschaufei für eine Dampfturbine verwendet werden kann. Die Turbinenschaufel 1 ist aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet. Hierzu sind mehrere Lagen von Fasermatten übereinander angeordnet. Um die Vorteile der Fasern, d.h. die hohe Zugfestigkeit in Faserrichtung ausnut¬ zen zu können, sind die Matten so übereinander gelegt, dass die Hauptfaserrichtung entsprechend der Hauptbeanspruchungs¬ richtung der Turbinenschaufel 1 ausgerichtet sind. Als Faser¬ material eignet sich insbesondere Glasfaser oder Kohlenfaser. Die Fasermatten sind in einer Matrix eingebettet. Die Matrix besteht vorzugsweise aus einem Kunstharz und sorgt für eine Verbindung der Fasermatten untereinander. Die Matrix kann selbst jedoch keine hohen Zugkräfte aufnehmen.
Die Turbinenschaufel 1 ist aufgrund des Faserverbundwerkstof¬ fes sehr empfindlich gegen Tropfenschlagerosion. Aus diesem Grund umfasst die Turbinenschaufel 1 einen Erosionsschutz 2, der zumindest bereichsweise an der Oberfläche der Turbinen¬ schaufel 1 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Erosionsschutz 2 an der Eintrittskante 6 der Turbinenschaufel 1 angeordnet. Die Eintrittskante 6 ist am stärksten von Trop¬ fenschlagerosion gefährdet, da die Wassertropfen im Wesentlichen hier auftreffen. Der Erosionsschutz 2 ist im Ausführungsbeispiel nur in der oberen Hälfte der Eintrittskante 6 angebracht. In diesem Bereich der Eintrittskante 6 besteht die größte Erosionsbeanspruchung, da im Betrieb der Turbine hier die größten Umfangsgeschwindigkeiten auftreten. Der Erosionsschutz 2 ist vorzugsweise so in die Schaufelkontur der Turbinenschaufel 1 eingefügt, dass sich ein fließender Über¬ gang ohne Kanten zwischen dem Erosionsschutz 2 und der Turbinenschaufel 1 ergibt.
Die Turbinenschaufel 1 weist zusätzlich einen zweiten Erosi¬ onsschutz 2 an der Austrittskante 7 der Turbinenschaufel 1 auf. Im normalen Betrieb ist die Austrittskante 7 nicht stark erosionsgefährdet , da hier kein Tropfeneinschlag vorliegt. Der Erosionsschutz 2 an der Austrittskante 7, der Turbinenschaufel 1, ist für den Ventilationsbetrieb vorgesehen. Im Ventilationsbetrieb der Dampfturbine wird, um eine Überhit¬ zung zu vermeiden, Wasser von hinten gegen die Turbinenschau- fei 1 gesprüht. Hierbei kann es unter ungünstigen Bedingungen vorkommen, dass Wassertropfen auf die Austrittskante 7 der Turbinenschaufel 1 auftreffen. Dieses kann dann zu einer erhöhten Erosionsbelastung an der Austrittskante 7 führen. Das Erosionsschutzbauteil 2 an der Austrittskante 7 kann Wir¬ kungsvoll eine Beschädigung der Turbinenschaufel in diesem Bereich verhindern. Das Erosionsschutzbauteil kann dabei direkt bei der Herstel¬ lung der Turbinenschaufel 1 mittels eines Resing Transfer Mo- ling Verfahrens (RTM) bzw. mittels Prepreg-Verfahren mit der Turbinenschaufel 1 verbunden werden. Das Verbinden des Erosi¬ onsschutzes 2 mit der Turbinenschaufel 1 kann auch nachträg- lieh mittels stoff- und/oder formschlüssigen Verbinden erfolgen. Als stoffschlüssiges Verbinden bietet sich Kleben oder Aufschmelzen an. Das formschlüssige Verbinden erfolgt durch plastisches Umformen des Erosionsschutzes 2. Um den Erosions¬ schutz 2 zusätzlich zu sichern, können zusätzliche Befesti- gungsmittel insbesondere Schrauben, Nieten oder Stifte ver¬ wendet werden, die die Turbinenschaufel 1 mit dem Erosions¬ schutz 2 verbindet.
Figur 2 zeigt eine Detailansicht der Turbinenschaufel 1 mit dem Erosionsschutz 2. Der Erosionsschutz 2 ist als sogenannter Multilayer aus wenigstens zwei polymeren Schichten 4 und wenigstens zwei metallischen Schichten 3 ausgebildet, die al¬ ternierend übereinander angeordnet sind. An den Erosions¬ schutz 2 werden eine Vielzahl von Anforderungen gestellt. Der Erosionsschutz 2 muss erosionsstabil sein, d. h. eine hohe mechanische Stabilität gegenüber Tropfenschlagerosion aufweisen. Darüber muss er eine gute Umformbarkeit bieten, sodass er sich dem Profil der Turbinenschaufel 1 gut anpassen kann und somit vollflächig an der Turbinenschaufel 1 angeordnet werden kann. Darüber hinaus sind eine hohe Energieaufnahmefä¬ higkeit sowie eine gute Hydrolysebeständigkeit notwendig. Diese gestellten Anforderungen werden durch die Ausbildung des Erosionsschutzes 2 als Multilayer, mit alternierend über¬ einander angeordneten Schichten aus einem Polymer und einem Metall gelöst. Um eine hohe mechanische Stabilität und damit eine gute Erosionsstabilität zu gewährleisten, ist die äußere Schicht des Erosionsschutzes 2 eine metallische Schicht 3. Als metallische Schicht 3 eignet sich insbesondere Stahl, Aluminium oder eine Aluminiumlegierungen, Titan oder eine Titanlegierungen, Magnesium oder eine Magnesiumlegierungen. Diese Materialien bieten einen hohen Erosionsschutz, eine ho- he mechanische Stabilität und eine hohe Energieaufnahmefähig¬ keit. Als polymere Schicht 4 eignen sich insbesondere Polyu¬ rethan, thermoplastische Elastomere, thermoplastische Polyu¬ rethane, oder Kautschuk, insbesondere hydrierter Acrylnitril- butadin-Kautschuk, Chloropren, Isopren, Ethylen-Propylen- Dien-Kautschuk (EPDM) oder Fluorkautschuk. Diese Polymere gewährleisten eine gute Dämpfung der Aufprallenergie der auf¬ treffenden Wassertropfen.
Als besonders geeignet haben sich Metallschichten 3 mit einer Dicke von 0,05 bis 0,5 mm, insbesondere aus Titan herausge¬ stellt. Als besonders geeignete Polymerschicht 4 hat sich ei¬ ne Polymerschicht aus Polyurethan mit einer Schichtdicke zwi¬ schen 0,02 und 1,0 mm herausgestellt. Das Herstellen einer Multilayer-Schicht 2 aus Kautschuk und Metall kann durch Verpressen des Metalls mit dem Kautschuk erfolgen, wobei der Kautschuk mit oder ohne Haftvermittler oder Primer auf der Metallschicht aufgebracht wird. Bei Mul- tilayer-Schichten aus thermoplastischem Elastomer insbesonde- re thermoplastischem Polyurethan kann die Verbindung zwischen den Schichten durch Laminieren (Heißlaminieren) oder Verpressen (Heißverpressen) oder durch aufschmelzende Verbindungstechniken mittels anderer Methoden erfolgen. Um eine gute Verbindung des Erosionsschutzes 2 mit der Turbi¬ nenschaufel 1 zu erzielen, kann zwischen dem Erosionsschutz 2 und der Turbinenschaufel 1 eine zusätzliche Schicht 5 bei¬ spielsweise aus Fasermatten bzw. harzgetränkten Fasermatten (Prepregs ) angeordnet sein.
Durch die Ausbildung des Erosionsschutzes 2 als Multilayer mit alternierend übereinander angeordneten Schichten aus polymerer und metallischer Schicht, ergibt sich ein Erosions- schütz 2, der ein besonders hohes Umformungsvermögen aufweist. Diese spezifische Eigenschaft des Multilayer-Aufbaus ermöglicht eine einfache und robuste Geometrieanpassung und ein vollflächiges (teilflächiges) Aufbringen des Erosions¬ schutzes 2 speziell im Bereich der Anströmkantekante (leading edge) , während des Schaufelherstellungsprozesses oder im Nachgang zum Herstellungsprozess der Turbinenschaufel.
Erosionsschutzschichten bzw. Bauteile die nur aus einem bzw. zwei Schichten ausgebildet sind, wie dies Stand der Technik ist, bieten dieses hohe Umformungsvermögen nicht, wodurch eine Anpassung des Erosionsschutzes 2 an die Turbinenschaufel 1 wesentlich erschwert ist. Durch die Verwendung eines Multi- layers mit Schichten aus Metall und Polymer ergibt sich zudem ein besonders guter Erosionsschutz. Die metallische Schicht 3 sorgt durch ihre große Härte für einen besonders guten mecha¬ nischen Schutz gegen Tropfenschlagerosion und gewährleistet eine hohe Energieaufnahmefähigkeit. Die polymeren Schichten 4 sorgen dafür, dass die Tropfenaufschlagsenergie gedämpft wird und sich nicht in den Faserverbundwerkstoff der Turbinen¬ schaufel 1 fortpflanzen kann. Durch die Kombination beider Schichtmaterialien wird somit ein besonders guter Erosions¬ schutz gewährleistet.
Figur 3 zeigt eine Detailansicht der in Figur 1 dargestellten Turbinenschaufel 1. Die Detailansicht zeigt die Anströmkante 6 der Turbinenschaufel 1. In der Figur 3 ist gut zu erkennen, wie sich der Erosionsschutz 2 in die Schaufelkontur der Turbinenschaufel 1 einfügt. Die Turbinenschaufel 1 ist dabei so vorbereitet, dass sich nach Einfügen des Erosionsschutzes 2 die endgültige Schaufelkontur der Turbinenschaufel 1 ergibt. Zwischen dem Erosionsschutz 2 und der Turbinenschaufel 1 ergibt sich dabei ein fließender Übergang ohne jegliche Kante. Die Strömungsbedingungen an der Turbinenschaufel 1 bleiben somit vollständig erhalten und ein Abreißen der Strömung am Übergang vom Erosionsschutz 2 zur Turbinenschaufel 1 wird vermieden. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Verbindung zwi¬ schen der Turbinenschaufel 1 und dem Erosionsschutz 2 durch das Einlaminieren des Erosionsschutzes 2. Zusätzlich wird das Erosionsschutzteil 2 mit zusätzlichen Befestigungsmitteln 7, insbesondere Schrauben, Nieten oder Stiften gesichert. Die Befestigungsmittel 7 bieten zusätzliche Sicherheit gegen das Lösen des Erosionsschutzes 2, insbesondere bei einem fehler¬ haften Laminieren.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel bietet durch den Erosi¬ onsschutz, bestehend aus wenigstens zwei polymeren Schichten und wenigstens zwei metallischen Schichten die alternierend übereinander angeordnet sind, einen verbesserten Schutz gegen Tropfenschlagerosion gegenüber den bislang verwendeten Erosi- onsschutzbauteilen . Durch die Verwendung der alternierend übereinander angeordneten Schichten ergibt sich ein besonders hohes Umformungsvermögen des Erosionsschutzes, wodurch eine vollflächige Anordnung des Erosionsschutzes auch an kompli¬ zierten geometrischen Formen der Turbinenschaufel möglich wird. Durch das hohe Umformungsvermögen des Erosionsschutzes kann insbesondere die stark belastete Anströmkante (leading age) der Turbinenschaufel wirkungsvoll gegen Tropfenschlag¬ erosion geschützt werden. Durch die Verwendung des Multilay- er-Erosionsschutzes können Turbinenschaufeln, welche aus Fa¬ serverbundwerkstoff hergestellt sind, auch in Tropfenschlag- gefährdeter Umgebung, insbesondere im Nassdampfgebiet von Kondensationsdampfturbinen eingesetzt werden, ohne dass es zu einer vorzeitigen Zerstörung der Turbinenschaufel kommt.
Durch die Auswahl einer geeigneten Anzahl an alternierenden übereinander angeordneten Schichten kann ein iterativer Erosionsschutz erfolgen. Je nach Umgebungsbedingung können dabei mehr oder weniger Schichten alternierend übereinander angeordnet werden. Ein weiterer Vorteil der alternierend übereinander angeordneten Schichten aus Metall und Polymer besteht darin, dass wenn es zu einer Zerstörung einer Schicht kommt, die darunterliegende Schicht weiterhin einen hinreichenden Erosionsschutz gewährleistet, sodass es nicht zu einer schnellen Zerstörung der Turbinenschaufel kommt, wie dies bei den bislang verwendeten Erosionsschutzbauteilen der Fall ist.

Claims

Patentansprüche
Turbinenschaufel , die zumindest bereichsweise aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, umfassend einen Erosions¬ schutz, der zumindest bereichsweise an der Oberfläche der Turbinenschaufel angeordnet ist,
wobei der Erosionsschutz aus wenigstens zwei polymeren Schichten und wenigstens zwei metallische Schichten be¬ steht, die alternierend übereinander angeordnet sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, das die äußere Schicht des Erosi¬ onsschutzes eine metallische Schicht ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, das die metallische Schicht aus Stahl, aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung, aus Titan, aus einer Titanlegierung, aus Magnesium oder aus einer Magnesiumlegierung besteht.
Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die polymere Schicht aus Poly urethan, aus einem thermoplastischen Elastomer, insbesondere einem thermoplastischen Polyurethan, oder einem Kautschuk, insbesondere einem hydrierten Acrylnitrilbutadien Kautschuk, Chloropren, Isopren, Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk (EPDM) oder einem Fluorkautschuk besteht.
Turbinenschaufel nach Anspruch einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die metallische Schicht eine Schichtdicke von 0,05 -0,5 m aufweist .
6. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Schicht eine Schichtdicke von 0,02 - 1,0 mm aufweist .
7. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte:
Herstellen der Turbinenschaufel;
und nachfolgendes oder gleichzeitiges
Stoff- und/oder formschlüssiges Verbinden des Erosions¬ schutzes mit der Turbinenschaufel.
8. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Herstellung der Turbinenschaufel und das Verbinden der Turbinenschaufel mit dem Erosionsschutz mittels eines Prepreg-, Resin Transfer Molding-Verfahrens (RTM) oder Nasslaminierverfahren erfolgt.
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