EP0726384A1

EP0726384A1 - Leitschaufel für Dampfturbinen

Info

Publication number: EP0726384A1
Application number: EP96810056A
Authority: EP
Inventors: Peter Dr. Ernst; Reinhard Fried
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 1995-02-13
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 1996-08-14
Also published as: DE19504631A1; KR960031758A; CZ40796A3; PL312711A1; CA2164560A1; CN1135014A; JPH08240104A

Abstract

Die Leitschaufel (1) weist einen mit Unterdruck beaufschlagten Hohlraum (6) im Innern und mindestens eine mit einer porösen, Kapillaren (11) aufweisenden Abdeckung (7) versehene Öffnung für eine Fluidabsaugung im Bereich der stromabwärts gelegenen Schaufelkante (4) auf. Es soll eine Leitschaufel (1) geschaffen werden, die mit einer wirksamen Fluidsabsaugung versehen ist, welche keine Wirkungsgradreduktion der Turbine zur Folge hat. Dies wird dadurch erreicht, dass sämtliche Kapillaren der porösen Abdeckung (7) mit dem abzusaugenden Fluid gefüllt sind, und dass durch die poröse Abdeckung (7) und die flüssigkeitsgefüllten Kapillaren (11) eine der Unterdruckbeaufschlagung standhaltende Wand gebildet wird. Diese Wand ist nur dort, wo sie mit dem Fluid benetzt wird, für das Fluid durchlässig. <IMAGE> <IMAGE> <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung geht aus von einer Leitschaufel für Dampfturbinen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

In dem Artikel "Tropfenerosion und Erosionsschutzmassnahmen in Dampfturbinen" von J. Krzyzanowski, der in der Zeitschrift Brennstoff, Wärme, Kraft (BWK, Band 38, Nr. 12, 1986, Seiten 527 bis 533) veröffentlicht wurde, sind Leitschaufeln im Niederdruckteil der Dampfturbine beschrieben, die mit einer Wasserabsaugung versehen sind. Leitschaufeln dieser Art weisen beispielsweise im Bereich der stromabwärts gelegenen Schaufelkante Öffnungen auf, die als Schlitze parallel zur Schaufelkante oder als Bohrungen ausgebildet sind, und die in einen Hohlraum im Innern der Leitschaufel führen. Die Hohlräume aller Leitschaufeln sind mit einem ringförmigen Kanal verbunden, der selbst mit dem Kondensator der Dampfturbinenanlage verbunden ist. Vom Kondensator her wird der Hohlraum im Innern der Leitschaufel mit einem vergleichsweise geringen Unterdruck beaufschlagt. Mit Hilfe dieses Unterdrucks wird an der Oberfläche der Leitschaufel kondensiertes Wasser in die Öffnungen gesaugt und gelangt von dort weiter in den Kondensator. Ohne diese Absaugung würden sich auf der Leitschaufel Wassertropfen ausbilden, die sich von der stromabwärts gelegenen Schaufelkante ablösen und auf die mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Laufschaufeln der Dampfturbine auftreffen würden. Dieses Auftreffen der Wassertropfen kann an den Laufschaufeln eine erhebliche Erosion verursachen. Durch die Wasserabsaugung kann diese Erosionsquelle beseitigt werden.
Durch diese Öffnungen, die einen vergleichsweise grossen Querschnitt aufweisen, wird in der Regel zusammen mit dem Wasser auch Dampf abgesaugt, was eine Reduktion des Wirkungsgrades der Dampfturbine mit sich bringt. Ferner stören die Kanten dieser Öffnungen die Dampfströmung entlang der Leitschaufeln.
Aus der Offenlegungsschrift DE 2 038 047 ist zudem bekannt, diese Öffnungen für die Wasserabsaugung mit porösem, flüssigkeitsdurchlässigem Material abzudecken. Aus dieser Schrift ist ferner zu entnehmen, dass mit Hilfe eines vergleichsweise grossen Druckgefälles das poröse Material dauernd teilweise leergesaugt wird, um genügend offene Poren zu schaffen, in welche dann das die Schaufeloberfläche benetzende Wasser mit Hilfe der Kapillarwirkung hineingezogen wird. Mit Hilfe des Druckgefälles wird dann das Wasser aus den Poren in den Schaufelhohlraum abgesaugt. Bei dieser Art der Ausnutzung des vergleichsweise grossen Druckgefälles wird trotz der porösen Abdeckung ein gewisser Anteil des um die Schaufel strömenden Dampfs ebenfalls mit abgesaugt, was eine Leistungsreduktion der Turbine zur Folge hat. Für die Aufrechterhaltung des vergleichsweise grossen Druckgefälles für die Wasserabsaugung wird eine vergleichsweise grosse Energiemenge verbraucht.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Hier setzt die Erfindung ein. Die Erfindung, wie sie im unabhängigen Anspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Leitschaufel für Dampfturbinen anzugeben, die mit einer wirksamen Fluidsabsaugung versehen ist, welche keine Wirkungsgradreduktion der Turbine zur Folge hat.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass die Öffnungen für die Fluidabsaugung einen vergleichsweise kleinen wirksamen Querschnitt aufweisen. Zwischen dem unterdruckbeaufschlagten inneren Hohlraum und dem dampfbeaufschlagten Turbineninneren ist im Betrieb stets eine dichte Wand vorhanden, die sich aus dem porösen Material der Abdeckung und dem in allen Kapillaren dieser Abdeckung festgehaltenen Fluid aufbaut. Diese dichte Wand hält dauernd dem als Sperrdruck bezeichneten Druckgefälle zwischen dem Turbineninneren und dem mit Unterdruck beaufschlagten inneren Hohlraum stand. Das die Oberfläche der Leitschaufel benetzende Wasser tritt zwar durch diese Wand hindurch, Dampf kann dabei jedoch nicht mitgerissen werden, da für ihn die Wand massiv und undurchdringlich ist. Der Wirkungsgrad der Dampfturbine wird durch die Wasserabsaugung an den Leitschaufeln nicht nennenswert reduziert, ihre Verfügbarkeit wird jedoch wesentlich erhöht, da durch Wassertropfen bedingte Erosionserscheinungen nun nicht mehr auftreten.
Die Leitschaufel für Dampfturbinen weist einen durch einen Unterdruck beaufschlagten Hohlraum im Innern auf. Der Hohlraum weist mindestens eine mit einer porösen, Kapillaren aufweisenden Abdeckung versehenen Öffnung für eine Fluidabsaugung im Bereich der stromabwärts gelegenen Schaufelkante auf, die mit dem Hohlraum in Wirkverbindung steht. Sämtliche Kapillaren der porösen Abdeckung sind mit dem abzusaugenden Fluid gefüllt. Durch die poröse Abdeckung und die flüssigkeitsgefüllten Kapillaren wird eine der Unterdruckbeaufschlagung standhaltende Wand gebildet. Diese Wand ist nur dort, wo sie mit dem Fluid benetzt wird, für das Fluid durchlässig. Die poröse Abdeckung weist eine Porengrösse auf, die auf das abzusaugende Fluid und den Unterdruck abgestimmt ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:

Fig.1 eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Leitschaufel,
Fig.1a und Fig.1b jeweils einen Schnitt durch die Anordnung gemäss Fig.1,
Fig.2 eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Leitschaufel,
Fig.2a einen Teilschnitt durch die Anordnung gemäss Fig.2, und
Fig.3 einen Teilschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Leitschaufel,
Fig.4 einen Schnitt durch eine Kapillare einer mit einem Fluid getränkten porösen Abdeckung,
Fig.4a und 4b das Durchtreten des Fluids durch die poröse Abdeckung gemäss Fig.4,
Fig.5 den durch die fluidgetränkte poröse Abdeckung gehaltenen Sperrdruck in Abhängigkeit von der Korngrösse des für die Herstellung der porösen Abdeckung verwendeten Materials, und
Fig.6 die Menge des durch die poröse Abdeckung durchtretenden Fluids in Abhängigkeit von der Korngrösse des für die Herstellung der porösen Abdeckung verwendeten Materials und vom auf die Abdeckung einwirkenden Druck.

Bei allen Figuren sind gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind nicht dargestellt.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Fig.1 zeigt eine Prinzipskizze einer Leitschaufel 1 einer Dampfturbine deren Schaufelblatt 2 massiv ausgebildet ist. In die Oberfläche des Schaufelblatts 2 ist eine Nut 3 eingegossen oder eingefräst, die sich parallel zu der stromabwärts, bezogen auf die die Dampfturbine durchsetzende Dampfströmung, gelegenen Schaufelkante 4 erstreckt. Im Fuss 5 der Leitschaufel 1 ist ein Hohlraum 6 vorgesehen, in den die Nut 3 einmündet. Die Nut 3 ist mit einer porösen Abdeckung 7 versehen, die sie gegen die Oberfläche des Schaufelblatts 2 abschliesst. Die poröse Abdeckung 7 weist Kapillaren auf, welche sie durchdringen. Die Nut 3 muss sich nicht über die gesamte Länge der Leitschaufel 1 erstrecken. Der Hohlraum 6 ist mit einem nicht dargestellten, unter Unterdruck stehenden Kondensator der Dampfturbinenanlage verbunden und steht selbst unter Unterdruck. Die an der porösen Abdeckung 7 wirksame Druckdifferenz liegt üblicherweise im Bereich von 10 bis 50 mbar, vorzugsweise werden Werte um etwa 20 mbar angestrebt. Ein Pfeil 8 deutet die Strömungsrichtung eines aus dem Hohlraum 6 in den Kondensator fliessenden Fluids an. Als Fluid wird hier Wasser eingesetzt, welches in der Regel destilliert ist. Die Fig.la zeigt den Schnitt A-A durch das Schaufelblatt 2. Die Fig.lb zeigt den Teilschnitt B-B durch das Schaufelblatt 2 im Bereich der Nut 3. Die poröse Abdeckung 7 liegt auf einem Absatz 9 der Nutflanke auf.

1. Ausführungsbeispiel:

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Leitschaufel 1 aus GGG40 gegossen und die Nut 3 ist eingegossen. Der Absatz 9 wird mit einer Kopierfräsmaschine eingefräst. Bei diesem Fräsvorgang wird gleichzeitig darauf geachtet, dass auch Giessrückstände, die den Nutquerschnitt unzulässig reduzieren könnten, entfernt werden. Als poröse Abdeckung 7 wird ein Streifen eines hochporösen Sinterwerkstoffs auf Chrom-Nickel-Basis auf den Absatz 9 aufgelegt und mit diesem verbunden. Der hochporöse Sinterwerkstoff trägt die folgende Bezeichnung: Werkstoff-Nr. 1.4404, AISI 316 L. Er wird beispielsweise von der Firma Thyssen Edelstahl AG unter der Standardmarke SIPERM R vertrieben. Hier wurde das Material mit dem Porositätsgrad R20, was einer offenen Porosität von rund 32% entspricht, eingesetzt. Dieses Material erlaubt einen Durchfluss von 2 Liter destilliertem Wasser (bei 20°C) pro 10 cm² und Stunde. Wird von einer an einer Leitschaufel 1 abzusaugenden Wassermenge von 1,8 l/h ausgegangen, so ergibt sich eine notwendige Absaugfläche von 9 cm² pro Leitschaufel 1. Bei einer wirksamen Nutbreite von 2 mm ergibt sich damit eine Nutlänge von rund 450 mm.
Auf den Absatz 9 wird eine Lotpaste dünn aufgetragen oder in Form eines beispielsweise 50 µm dicken Bandes aufgebracht. Auf diese Lotschicht wird ein gerade in die Nut 3 passender Streifen des hochporösen Sinterwerkstoffs gelegt, wobei dieser Streifen geringfügig aus der Nut 3 herausragt. In regelmässigen Abständen wird der Streifen in der Nut 3 verkeilt, beispielsweise mittels Körnerschlägen. Besonders bewährt hat sich ein Lot, welches folgende Bestandteile aufweist: 49% Ag, 16% Cu, 23% Zn, 4,5% Ni und 7,5% Mn. Das Löten erfolgte unter Atmosphärendruck in einem Ofen unter dem Einsatz von Argon als Schutzgas. Zum Aufheizen wurde eine Rampe von 10°C/min eingestellt. Nach dem Erreichen von 650°C wurde diese Temperatur während einer Stunde beibehalten, um so einen Temperaturausgleich im Werkstück zu erreichen. Anschliessend daran wurde die Temperatur mit einer Rampe von 10°C/min auf 750°C gesteigert und dann eine halbe Stunde beibehalten. Zum anschliessenden Abkühlen wurde eine Rampe von 10°C/min eingestellt. Nach dem Abkühlen wurde der geringfügig über die Oberfläche der Leitschaufel 1 hinausragende Teil der porösen Abdeckung 7 abgeschliffen. Für das Abschleifen wurde eine Scheibe verwendet, die durch folgende Angaben gekennzeichnet ist: Corund A1, Körnung 60, Härte L, Gefüge 5, Bindung S. Mit dieser Scheibe wird vermieden, dass die offenen Poren der porösen Abdeckung 7 beim Schleifen zugeschmiert werden. Die Lötstellen wiesen einige Poren auf, was jedoch hier vernachlässigbar ist. Die Eindringtiefe des Lots in die poröse Abdeckung 7 beschränkte sich auf etwa 200 µm, sodass im wirksamen Bereich der porösen Abdeckung 7 keine Reduzierung der Porosität auftrat.
In einer Versuchsanordnung wurde mit einer derartigen Leitschaufel 1 der Nachweis erbracht, dass das Absaugen von in dünnen Strähnen über das Schaufelblatt 2 laufendem Wasser in den angestrebten Mengen möglich ist. Deutlich war vor allem erkennbar, dass das Wasser sofort in die Kapillaren der porösen Abdeckung 7 hineingezogen wurde. Der Differenzdruck von 20 mbar reicht hier aus, um das Wasser durch die poröse Abdeckung 7 hindurch in die Nut 3 zu befördern.
Das hier für die poröse Abdeckung 7 verwendete hochporöse Sintermaterial besitzt eine gewisse Verformbarkeit, die für die Befestigung des Streifens in der Nut 3 ausgenutzt werden kann. Wird der Teil der Nut 3 oberhalb des Absatzes 9 beispielsweise in Form eines oben enger werdenden Schwalbenschwanzes ausgebildet, so können die beiden Seiten des Streifens jeweils in diesen Schwalbenschwanz hineingetrieben werden, sodass der Streifen mechanisch verstemmt und durch diese Verstemmung gehalten wird. Eine Lötung erübrigt sich in diesem Fall. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführung ist die leichte Auswechselbarkeit der porösen Abdeckung 7. Ein derartiges Auswechseln ist dann nötig, wenn nach einem längeren Betrieb die Kapillaren 11 der porösen Abdeckung 7 ganz oder teilweise zugesetzt sind, sodass die Wirkung der Wasserabsaugung beeinträchtigt wird.
Die Fig.2 zeigt eine Prinzipskizze einer Leitschaufel 1 einer Dampfturbine deren Schaufelblatt 2 aus zwei vorgeformten Blechen zusammengeschweisst ist und welches mittels einer Schweissverbindung mit dem Fuss 5 verbunden ist. In die Oberfläche des Schaufelblatts 2 sind mehrere, einander überlappende Nuten 3 eingefräst, die sich parallel zu der stromabwärts, bezogen auf die die Dampfturbine durchsetzende Dampfströmung, gelegenen Schaufelkante 4 erstrecken. Im Fuss 5 der Leitschaufel 1 ist ein Hohlraum 6 vorgesehen, der sich in das Innere des Schaufelblatts 2 erstreckt. In diesen Hohlraum 6 münden die Nuten 3 ein. Die Nuten 3 sind jeweils mit einer porösen Abdeckung 7 versehen, die sie gegen die Oberfläche des Schaufelblatts 2 abschliesst. Die Nuten 3 müssen sich nicht über die gesamte Länge der Leitschaufel 1 erstrecken. Der Hohlraum 6 ist mit einem nicht dargestellten, unter Unterdruck stehenden Kondensator der Dampfturbinenanlage verbunden und steht selbst unter Unterdruck. Ein Pfeil 8 deutet die Strömungsrichtung des aus dem Hohlraum 6 in den Kondensator fliessenden Wassers an. Der Differenzdruck an der poröse Abdeckung 7 liegt üblicherweise im Bereich um 20 mbar. Die Fig.2a zeigt den Teilschnitt C-C durch das Schaufelblatt 2 im Bereich einer der Nuten 3. Die poröse Abdeckung 7 liegt auf einem Absatz 9 der Nutflanke auf.

2. Ausführungsbeispiel:

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Leitschaufel 1 aus Stahl St 70 AH gefertigt. Die Nuten 3 mit dem Absatz 9 werden mit einer Kopierfräsmaschine eingefräst. Als poröse Abdeckung 7 wird ein Streifen des hochporösen Sinterwerkstoffs auf Chrom-Nickel-Basis auf den Absatz 9 aufgelegt und mit diesem verbunden. Der hochporöse Sinterwerkstoff ist der gleiche wie er im Ausführungsbeispiel 1 beschrieben wurde. Auch das Befestigen in den Nuten 3 erfolgt nach einem der im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Verfahren oder durch Verkleben. Wegen des vergleichsweise gut schweissbaren Grundmaterials der Leitschaufel 1 ist es hier möglich, die porösen Abdeckungen 7 durch einen Schweissvorgang in den Nuten 3 zu befestigen.

3. Ausführungsbeispiel:

Als poröse Abdeckung 7 kann in die hier erwähnten Leitschaufeln 1 auch ein gepresstes Metallgestrick oder Metallgewebe eingesetzt werden und je nach Zusammensetzung mit einem der bisher beschriebenen Verfahren in der Nut 3 befestigt werden. Zusätzlich ist bei diesen Materialien auch ein Verkleben mit dem Absatz 9 möglich.

4. Ausführungsbeispiel:

Als poröse Abdeckung 7 kann in die hier erwähnten Leitschaufeln 1 auch ein Keramikflies oder ein Keramikgestrick oder ein Keramikgewebe oder ein Keramiksinterformteil eingeklebt werden. Als Klebstoff wäre hier beispielsweise ein Kleber auf Silikonbasis oder ein Kunstharzkleber geeignet.

5. Ausführungsbeispiel:

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Leitschaufel 1, die ähnlich der in Fig.2 dargestellten Leitschaufel ausgebildet ist, ebenfalls aus Stahl St 70 AH gefertigt. Die Nuten 3 werden mit einer Kopierfräsmaschine eingefräst, sie weisen jedoch eine andere Form auf, wie aus Fig.3 ersichtlich. Die Aussenseite der Nuten 3 mündet in eine leichte Vertiefung 10 des Schaufelblatts 2 ein. In diese Vertiefung 10 wird zunächst eine Paste aus einem Metallpulver und einem organischen Binder, der durch die Strukturbezeichnung C_x·H_y·O_z gekennzeichnet ist, eingebracht und durch einen Sintervorgang entsteht die direkt an die Leitschaufel 1 angesinterte poröse Abdeckung 7.
Als Metallpulver ist hier ein X20CrMo-Stahlpulver der Firma Ultrafine Powder Technology, Bezeichnung UFP2, Lieferung 2, Lot Nr.236 eingesetzt worden. Das Stahlpulver wies folgende Legierungsbestandteile auf:

Cr: 11,6%
Ni: 0,47%
Mo: 0,96%
V: 0,31%
Nb: 0,048%
C: 0232%
Si: 0,43%
Mn: 0,65%
W: <0,001%
S: 0,011%.

Dieses Stahlpulver wurde mittels eines Gasverdüsungsverfahrens hergestellt, seine Partikel weisen eine Grösse bis 44 µm auf und sie sind sphärisch ausgebildet.
Anschliessend an das Aufbringen der Paste wird die Leitschaufel 1 in einen Vakuumsinterofen eingebracht und mit einer Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von 10 mbar vorgesintert. Bei der Aufheizung erfolgt die Temperaturerhöhung in Stufen von 1 °C bis maximal 10 °C pro Minute. Sobald die Vorsintertemperatur von 930 °C erreicht ist, wird diese Temperatur während des eine Stunde dauernden Vorsinterns beibehalten. Die Vorsintertemperatur von 930 °C, die während einer Stunde beibehalten wird, ermöglicht die Ausbildung von Halsbindungen zwischen den sphärischen Partikeln des Stahlpulvers, sodass ein Vorsinterling mit linsenförmigem Querschnitt entsteht. Daran anschliessend erfolgt dann das Fertigsintern und das gleichzeitige definitive Ansintern des Vorsinterlings an die Leitschaufel, hierbei wird die Temperatur weiter mit einer Rampe im Bereich von 7°C pro Minute gesteigert bis auf 1300°C. Auf dieser Temperatur wird die Leitschaufel während 4 Stunden gehalten. Anschliessend erfolgt ein kontrolliertes Abkühlen mit einer Rampe von 15°C pro Minute bis herab auf die Raumtemperatur.
Während des Vorsinterns wird zunächst der innere Zusammenhalt der Pulverpartikel der Paste, die mit linsenförmigem Querschnitt aufgetragen wurde, erreicht, sodass der so entstandene Vorsinterling mit linsenförmigem Querschnitt homogen und vor allem ohne Risse ausgebildet ist. Gleichzeitig entstehen Bindungen mit der Leitschaufel 1, die beim anschliessenden Fertigsintern noch verstärkt werden. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass beim Fertigsintern die Schrumpfung des Vorsinterlings 10 Volumenprozent nicht wesentlich überschreitet, da sonst die bereits bestehenden Bindungen mit der Leitschaufel 1 wieder aufreissen. Auf diese Art lassen sich Sinterdichten im Bereich von 75% bis etwa 95% erreichen, was hier völlig genügt. Querschliffe durch diese Zone zeigen eine rissfrei gesinterte Schicht und stabile Verbindungen dieser Schicht mit der Leitschaufel 1 im Abstand von jeweils etwa 200 µm. Für das Fertigsintern wurde ein Vakuumsinterofen verwendet. Die Ofenatmosphäre setzte sich zusammen aus Stickstoffgas N₂ mit einer Dotierung von 10% CO₂, der Druck im Ofen betrug 10 mbar. Die Sintertemperatur von 1300 °C wurde bei diesem Ausführungsbeispiel kontinuierlich mit einer Rampe von 7°C/min erreicht. Die Sintertemperatur wurde während vier Stunden gehalten, das nachfolgende Abkühlen erfolgte kontinuierlich mit einer Rampe von 15°C/min bis herab auf die Raumtemperatur.
Wird diese mittels eines Sintervorgangs mit einer porösen Abdeckung 7 versehene Leitschaufel 1 im Versuch mit Wasser benetzt, so zeigt es sich, dass diese Ausgestaltung des Absaugbereiches zu sehr günstigen Resultaten führt. Es wird eine Porosität von etwa 25% erreicht. Die Strömung des Dampfes im Bereich der Leitschaufeln 1 wird durch das auf diese aufgesinterte Material nicht nennenswert gestört. Um eine besonders gute Sinterverbindung zwischen der Leitschaufel 1 und der porösen Abdeckung 7 zu erreichen, wird besbnders feines Stahlpulver NiCr 30 20 mit einer Partikelgrösse von <10 µm vor dem Aufbringen der Paste in einer dünnen Schicht in die Vertiefung 10 eingebracht.
Weitere, durch die Firma Thyssen Edelstahl AG gelieferte Sinterwerkstoffe, eignen sich ebenfalls sehr gut für die Herstellung von porösen Abdeckungen 7, wie beispielsweise ein hochporöser Sinterwerkstoff auf Bronze-Basis (CuSn 10), der unter dem Handelsnamen SIPERM B erhältlich ist, und ein hochporöser Sinterwerkstoff auf Niederdruckpolyäthylen-Basis, der unter dem Handelsnamen SIPERM B erhältlich ist.
Eine besonders wirksame Fluidabsaugung erhält man, wenn in unmittelbarer Nähe der, bezogen auf die Dampfströmung stromabwärts gelegenen Schaufelkante 4 abgesaugt wird. Wird nun die Schaufelkante 4 oder ein Teil derselben porös ausgebildet, so kann unmittelbar durch die Kante hindurch abgesaugt werden, dies bedingt jedoch, dass die Kante direkt an der Leitschaufel 1 befestigt wird.
Wird an bestimmten Stellen der Leitschaufel 1 mit besonders grossen Mengen Kondenswasser gerechnet, so können dort grossflächige poröse Abdeckungen 7 vorgesehen werden und die Nuten 3 können durch entsprechend den weitergehenden Anforderungen geformte Öffnungen ganz oder teilweise ersetzt werden.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird nun die Fig.4 näher betrachtet. Die Fig.4 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine einzelne, vereinfacht dargestellte Kapillare 11 einer vollständig mit einem Fluid getränkten porösen Abdeckung 7. Die Kapillare 11 ist, wie alle übrigen Kapillaren 11 der porösen Abdeckung 7 mit einem Fluid gefüllt. Die Kapillaren 11 sind in der porösen Abdeckung 7 miteinander vernetzt, sodass sich beim Auftreffen eines Fluids an einer Stelle der porösen Abdeckung 7 sofort die Gesamtheit aller Kapillaren 11 mit diesem Fluid füllt. Bei Dampfturbinen ist das Fluid in der Regel destilliertes Wasser. Wegen der Oberflächenspannung des Wassers und wegen der Kapillarwirkung bildet sich in der Kapillare 11 eine Wassersäule 12 aus. An beiden, der jeweiligen Oberfläche der porösen Abdeckung 7 zugewandten Seiten der Wassersäule 12 bildet sich jeweils ein Meniskus 13a,13b aus. Die Form der Menisken 13a,13b wird durch die Oberflächenspannung des Wassers bestimmt. Der Meniskus 13a ist der dampfbeaufschlagten Seite der porösen Abdeckung 7 zugeordnet. Die Oberfläche 14 der porösen Abdeckung 7 ist ebenfalls der dampfbeaufschlagten Seite zugeordnet, während die Oberfläche 15 dieser Abdeckung der Kondensatorseite, also der mit Unterdruck beaufschlagten Seite der Abdeckung 7 zugeordnet ist.
Die Wassersäule 12 bleibt im Normalfall dauernd bestehen, sie wird durch die anstehende Druckdifferenz, den sogenannten Sperrdruck, nicht aus der Kapillare 11, bzw. aus der Gesamtheit aller Kapillaren 11 entfernt. Die poröse Abdeckung 7 bildet mit dem in allen Kapillaren 11 vorhandenen Wassersäulen 12 eine druckdichte Wand, die dem anstehenden Sperrdruck stets standhält, sodass kein Dampf durch diese Wand in den Kondensator abgesaugt werden kann, sodass bei dieser Ausführung der porösen Abdeckung 7 kein Wirkungsgradverlust der Dampfturbine infolge von Dampfverlusten auftritt.
In Fig.4a fliesst über die Oberfläche 14 eine Strähne 16 von an der Leitschaufel 1 kondensiertem Wasser. Sobald diese Strähne 16 eine Kapillare 11 erreicht, wird der obere Meniskus 13a der Wassersäule 12 zerstört. Die Kapillarwirkung und die Oberflächenspannung des unteren Meniskus 13b reichen nun nicht mehr aus, die Wassersäule 12 stationär zu halten, das Wasser aus der Strähne 16 dringt in die Kapillare 11 ein und der untere Meniskus 13b geht über in eine Ausbauchung 17. Die Ausbauchung 17 nimmt wegen des durch die Kapillare 11 nachströmenden Wassers eine Tropfenform an, wie in Fig.4b dargestellt. Der so entstehende Wassertropfen tropft dann ab und wird durch den Unterdruck in den Kondensator befördert. Dieses Abtropfen erfolgt solange bis das gesamte Wasser der Strähne 16 in diese und die benachbarten Kapillaren 11 abgeströmt ist. Nach dem Abfliessen und Abtropfen des letzten Wasserrests bleiben die mit der Wassersäule 12 gefüllten Kapillaren 11 zurück und dichten die poröse Abdeckung 7 wieder gegen den Sperrdruck ab und vermeiden so einen unerwünschten Dampfdurchtritt. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass die gesamte der mit Unterdruck beaufschlagten Seite der Abdeckung 7 zugeordnete Oberfläche 15 für das Abtropfen zur Verfügung steht, da sich das Wasser durch die miteinander vernetzten Kapillaren so verteilt, das es an der gesamten Oberfläche 15 austritt. Diese Anordnung ist für den Durchtritt von vergleichsweise grossen Wassermengen gut geeignet.
In der Fig.5 ist der durch die fluidgetränkte poröse Abdeckung 7 gehaltene Sperrdruck in Abhängigkeit von der Korngrösse des für die Herstellung der porösen Abdeckung 7 verwendeten Materials, und damit indirekt von der Grösse der Kapillaren 11, dargestellt. Auf der Ordinate dieses Diagramms ist der Sperrdruck in bar und auf der Abszisse ist die mittlere Korngrösse des für die Herstellung der porösen Abdeckung 7 verwendeten Materials in µm aufgetragen. Mit einer gröberen Körnung der verwendeten Materialpartikel ergeben sich beim Sintern zwangsläufig grössere Durchmesser der Kapillaren 11. Die Menisken 13a,13b weisen damit ebenfalls eine grössere, durch den Sperrdruck beaufschlagte Fläche auf. Wenn die Kapillare 11 durch den Sperrdruck nicht geleert werden darf, so muss der Sperrdruck entsprechend reduziert werden.
In der Fig.6 ist die Menge des durch die poröse Abdeckung 7 durchtretenden Wassers in Abhängigkeit von der Korngrösse des für die Herstellung der porösen Abdeckung verwendeten Materials dargestellt. Als weiterer Parameter ist der auf die Abdeckung 7 einwirkende Sperrdruck in dem Diagramm angegeben. Auf der Ordinate dieses Diagramms ist die pro Stunde durch eine poröse Abdeckung 7 mit einer wirksamen Fläche von 10 cm² durchtretende Wassermenge und auf der Abszisse ist die mittlere Korngrösse des für die Herstellung der porösen Abdeckung 7 verwendeten Materials in µm aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist eindeutig zu erkennen, dass sich mit einer gröberen Körnung der verwendeten Materialpartikel beim Sintern zwangsläufig grössere Durchmesser der Kapillaren 11 und, in Verbindung damit, auch grössere Mengen des durchtretenden Wassers ergeben. Das Wasser trifft bei dem zugrundeliegenden Modellversuch in Form einer einzelnen Strähne 16 auf die poröse Abdeckung 7 und benetzt eine an der Oberfläche 14 liegende Fläche von etwa 50 mm². Das Wasser verteilt sich in dem Kapillarensystem der porösen Abdeckung 7 und tritt auf der gesamten mit Unterdruck beaufschlagten Oberfläche 15 der Abdeckung 7 aus, in diesem Fall sind dies etwa 1000 mm², die für das Abtropfen des durchtretenden Wassers zur Verfügung stehen. Nur auf diese Art ist es überhaupt möglich, derartige, vergleichsweise grosse Wassermengen durch die poröse Abdeckung 7 hindurch abzuführen. Es zeigt sich eindeutig, dass mit derartig ausgebildeten porösen Abdeckungen 7 die bei heutigen Dampfturbinen an den Leitschaufeln 1 vorkommenden Mengen des kondensierten Wassers einwandfrei abgeführt werden können.

BEZEICHNUNGSLISTE

1: Leitschaufel
2: Schaufelblatt
3: Nut
4: Schaufelkante
5: Fuss
6: Hohlraum
7: poröse Abdeckung
8: Pfeil
9: Absatz
10: Vertiefung
11: Kapillare
12: Wassersäule
13a,b: Meniskus
14,15: Oberfläche
16: Strähne
17: Ausbauchung

Claims

Leitschaufel (1) für Dampfturbinen mit einem durch einen Unterdruck beaufschlagten Hohlraum (6) im Innern, mit mindestens einer mit einer porösen, Kapillaren (11) aufweisenden Abdeckung (7) versehenen Öffnung für eine Fluidabsaugung im Bereich der stromabwärts gelegenen Schaufelkante (4), die mit dem Hohlraum (6) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
- dass sämtliche Kapillaren der porösen Abdeckung (7) mit dem abzusaugenden Fluid gefüllt sind,

- dass durch die poröse Abdeckung (7) und die flüssigkeitsgefüllten Kapillaren (11) eine der Unterdruckbeaufschlagung standhaltende Wand gebildet wird, und

- dass diese Wand dort, wo sie mit dem Fluid benetzt wird, für das Fluid durchlässig ist.
Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass die poröse Abdeckung (7) eine Porengrösse aufweist, die auf das abzusaugende Fluid und den Unterdruck abgestimmt ist.
Leitschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass für die Herstellung der porösen Abdeckung (7) ein hochporöser Sinterwerkstoff auf Cr-Ni-Stahl-Basis oder auf X20CrMo-Stahl-Basis oder auf Bronze-Basis (CuSn 10) oder auf Niederdruckpolyäthylen-Basis eingesetzt wird.
Leitschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass die poröse Abdeckung (7) mit der Leitschaufel (1) durch ein flächiges oder stellenweises Verlöten, durch eine Verschweissung, durch ein Verkleben und/oder durch ein mechanisches Verstemmen verbunden ist.
Leitschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass als Abdeckung (7) gepresstes Metallgestrick oder Metallgewebe vorgesehen ist, welches mit der Leitschaufel verklebt oder verschweisst ist.
Leitschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass an der Stelle der porösen Abdeckung (7) eine Paste aus einem Metallpulver mit einem organischen Binder auf die Leitschaufel (1) aufgetragen wird, und

- dass aus dieser Paste mit Hilfe mindestens eines Sintervorgangs eine an die Leitschaufel (1) angesinterte poröse Abdeckung (7) entsteht.
Leitschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass für die Aufnahme der Paste eine Vertiefung (10) in der Oberfläche der Leitschaufel (1) vorgesehen ist.
Leitschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass die stromabwärts gelegenen Schaufelkante (4) zumindest teilweise als angesinterte poröse Abdeckung (7) ausgebildet ist.
Leitschaufel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Öffnung als parallel zur stromabwärts gelegenen Schaufelkante (4) erstreckte ein oder mehrteilige Nut (3) ausgebildet ist.
Leitschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass als Abdeckung (7) ein eingeklebtes Keramikfliess oder ein Keramikgestrick oder ein Keramikgewebe oder ein Keramiksinterformteil vorgesehen ist.