EP1561905A1 - Plastisch deformierbare Schicht im Verbindungsbereich einer Turbinenschaufel und Verfahren zur Schaufelbefestigung - Google Patents

Plastisch deformierbare Schicht im Verbindungsbereich einer Turbinenschaufel und Verfahren zur Schaufelbefestigung Download PDF

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EP1561905A1
EP1561905A1 EP04002822A EP04002822A EP1561905A1 EP 1561905 A1 EP1561905 A1 EP 1561905A1 EP 04002822 A EP04002822 A EP 04002822A EP 04002822 A EP04002822 A EP 04002822A EP 1561905 A1 EP1561905 A1 EP 1561905A1
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EP
European Patent Office
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coating
contour
blade
flow channel
turbomachine
Prior art date
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Withdrawn
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EP04002822A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Walter David
Christoph Dr. Richter
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP1561905A1 publication Critical patent/EP1561905A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3092—Protective layers between blade root and rotor disc surfaces, e.g. anti-friction layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating

Definitions

  • the present invention relates to a system for fixing a blade in the flow channel of a turbomachine with a rotatably mounted in a housing rotor shaft, wherein the blade in a connection region on the rotor shaft or is fixed to a wall of the flow channel.
  • the invention further relates to a blade for the inventive system and a method for setting the Shovel and a turbo machine.
  • Turbomachinery with blade arrangements for interaction with a flowing through the turbomachine Fluid flow are basically as compressors, turbines or the like.
  • To a high efficiency of a to be able to reach such a machine are becoming increasingly higher physical requirements for the materials used the turbomachine and their processing provided. So are for example operating temperature and operating pressure in Flow channel to improve the efficiency regularly been increased. This makes it necessary to shovels out to produce a particularly resistant material.
  • Today, for example, steels, such as high-alloyed Chromium steels, as well as ceramic materials are used.
  • the rotor shaft on which the blades are fixed exists z. B. from 3.5% nickel steel.
  • the connecting contour of the blade root is gradual formed, creating an over-determined system.
  • other contours for example continuous large ones Surfaces, curved surfaces or the like, which in the Attachment of blades used lead to a overdetermined determination. It is therefore a special one Pay attention to the manufacturing in terms of tolerances too judge.
  • columns are due to Manufacturing tolerances, which in the order of a few hundredths of a mm when the turbomachine is at a standstill can be accepted, making the optimal Power transmission is not achieved.
  • the connection is designed such that the column increasingly close. However, this is for the power transmission between blade and rotor shaft or flow channel wall not optimal. Desirable would be a uniform concern all or the entire support flanks of the connection contour of Shovel.
  • the present invention thus has the object based on developing a generic system in such a way that the aforementioned disadvantages in the prior art with be overcome little effort.
  • connection area be deformable Layer has.
  • the invention is the realization underlying, column by plastic deformation of a To be able to reduce coating of the connection area.
  • the coating preferably has a small size Tangent module on.
  • the danger of shearing off Materialausformungen as in the prior art consists in not essential anymore.
  • the layer can by means of known Provided cost-effectively, for example, as a metal foil or the like.
  • the layer can both a connection contour and on a be provided receiving contour.
  • the Layer either only at the connection contour or at the receiving contour or even be provided on both.
  • the Coating can be made, for example, of an aluminum polyester, a copper-nickel-indium alloy or be formed.
  • Turbomachine deforms the layer so that it a homogenization causes and thus the column reduced. It can also be provided that the coating leveled due to wear. This can be the Turbomachine example, be approached several times. Thus, for example, supporting flanks of the contour for a higher Power transmission suitable because the power transmission area gets bigger and the power transmission is made uniform. This not only leads to a larger, more continuous one Power transmission, but also to one greater impulse load capacity, for example with vibrations, Pressure and / or temperature fluctuations. The reliability and the life of the turbomachine can be improved become.
  • the deformable layer by a Coating a connection contour of the blade and / or a contours receiving the contour of the Rotor shaft or the wall of the flow channel is formed.
  • the layer can be integral with the Connection contour can be provided.
  • Coating process for example PVD, CVD or the like, can be a very uniform, for a montage good, low cost coating can be achieved.
  • the coating can both on the connecting contour of the Shovel as well as on the receiving contour of the rotor shaft or the flow channel wall may be provided.
  • contour be complete is coated.
  • a particularly cost-effective production can be achieved because effort to limit the Coating can be avoided on predetermined areas.
  • the Coating a smaller modulus of elasticity than that Has material of the blade root.
  • modulus of elasticity the common in the field of mechanical engineering is technical Definition understood, as well as Dubbel, paperback for Mechanical Engineering, 19th edition on page C4, right column describes.
  • a Tangent modulus of the coating smaller than that of the Material of the blade root is, wherein the tangent module the mathematical derivation of the stress-strain curve represents.
  • the bucket can be made of one ceramic material, which for the high physical stresses in the flow channel suitable is, whereas the coating, for example, from a Metal may be formed, for example iron or Alloys thereof.
  • the ceramic material has for example, an E modulus in the range of 30 to 450 GPa, whereas the coating with its modulus of elasticity in the range of 5 to 20 GPa.
  • the coating can be achieved that by appropriate force the coating their initial position changed so that the column reduced or even avoided.
  • the coating is plastically deformable. So already at the joining a Deformation of the coating carried out such that the Gap formation is at least partially avoided. Furthermore, can the coating also during operation of the Turbomachine deformed to column, which is only during operation of the turbomachine, too backfill.
  • the coating during assembly is solidifiable by deformation.
  • a permanently good one Power transmission can be achieved.
  • Column during the Operation closed by deformation of the coating may also be outside of its intended use stay closed.
  • the resistance of the Coating with increasing deformation too. It can, however also be provided, the coating thermally or chemically solidify. Another improvement of Properties with alternating stress or Impulse stress can be achieved.
  • the contour be stepped is trained.
  • the contour can be used for a Power transmission from the blade root adapted to the opening be by the contour of the blade root with his Extending into the opening one or more recesses having.
  • the stress due to the power transmission can more uniform. A higher load capacity and a higher reliability can be achieved.
  • the invention further provides a blade for a Inventive system with a connection contour having proposed blade root, wherein the Connection contour is provided with a coating.
  • the coating on the Shovel foot and not provided in the opening. So can be avoided that the opening when replacing a Shovel as part of a maintenance with a new coating must be provided. In comparison, that appears Applying the coating on the blade foot the lower Effort represent, as the shovel in the industrial Production process with relatively little effort with the coating can be provided.
  • the opening be provided with a coating again, in this case, however, especially for large Turbomachines, such as gas turbines, steam turbines or The like, the corresponding facilities for mobile Turbomachine are to create and the scope in the turbomachine for the use of the devices is to be exposed.
  • a Shovel coating residues from the opening with appropriate To remove funds. This can be done both by mechanical abrasion as well as chemical or physical treatment done.
  • the inventive Shovel is also suitable for reworking, for example, the foot area of a disassembled Freed blade of coating residues and then with a new coating is provided.
  • the Coating over the entire extent of the Connection contour is provided.
  • a particularly simple one Production of the coating and design of the Manufacturing process can be achieved because the entire Connection region of the coating is subjected. effort for manufacturing as well as costs can be reduced.
  • the invention further provides a method for setting a blade in the flow channel of a turbomachine proposed, wherein a connecting contour of a Blade foot of the blade and / or a receiving contour an opening in a wall of the flow channel or in the Flow channel rotatably mounted rotor shaft with a Be provided coating and the blade root in the Opening is inserted. It can be achieved that the Connection contour of a higher stress withstands, because Column in the connection contour can be reduced. this leads to to a larger power transmission area and to Equalization of the force over the extension of the Contour. Quality and reliability of the connection can increase. In addition, that is suitable inventive method also for retrofitting already existing turbomachinery.
  • So can for example, as part of a maintenance in an existing Turbomachine a blade with an inventive Be provided coating on the connection contour.
  • a higher reliability can be achieved.
  • a reliable safe Power transmission can be achieved.
  • Voltage peaks in the Connection contour as well as in the blade can be reduced become.
  • it can be achieved that leaks can be reduced due to gap formation.
  • longitudinal grooves can be a significant improvement a sealing effect can be achieved.
  • the coating be through an operation of the turbomachine is formed. So can can be achieved that the coating through the operation is formed so that gaps, which only during the train as intended operation of the turbomachine or change, be reduced by the coating.
  • the coating is solidified.
  • the coating for example Contain additives by volatilization or also by chemical reaction or the action of heat cause the coating to solidify. So can for example, be provided that the coating itself during normal operation of the turbomachine solidifies and thus permanently the gap formation during a intended operation of the turbomachine reduced.
  • the invention further provides a turbomachine, such as a Steam engine, a gas turbine or the like, with an in a flow channel of a housing rotatably mounted Rotor shaft having blades, and with im Flow channel rotatably arranged vanes proposed, wherein a system according to the invention provided is.
  • a turbomachine such as a Steam engine, a gas turbine or the like
  • the turbomachine can thus higher demands withstand, as the power transmission of the blades on the corresponding component to which they are fixed, improved can be.
  • a higher performance of the Turbomachine can be achieved.
  • turbo machine for a discontinuous operation more robust, because, as stated above, may be the action of changing stresses and / or Impulse stresses are significantly improved.
  • a blade after the according to the invention can for example, a turbomachine also subsequently with the be equipped system according to the invention. Another Improving the reliability of the turbomachine can be achieved. For example, maintenance intervals be increased, resulting in operating costs as well Can reduce downtime.
  • the rotor shaft 1 has an opening 6, which with a stepped receiving contour 5 is provided.
  • the Blade 2 has a blade root 8 in its lower region on, which is provided with a connecting contour 3.
  • the Connection contour 3 is complementary to the receiving contour 5 formed. Through the connection contour 3 and the receiving contour 5 is an over-determination such that due to manufacturing tolerances not every bearing flank 9 is applied to a supporting flank 10 for transmitting power, but partly as a function of manufacturing tolerances Column would be formed.
  • the tangent module of Coating 7 is about 10 GPa, whereas the Blade root 8 has a tangent modulus of about 210 GPa.
  • the coating 7 thus has a smaller tangent module as the material of the blade root 8.
  • the coating 7 is chosen such that it is plastically deformable. Consequently can each associated pair of support flanks 9, 10 for Contribute to the transfer of forces.
  • the blade root 8 with provided the stepped connection contour 3.
  • On the rotatably mounted rotor shaft 1 is an opening 6 with a receiving contour 5 made.
  • the connection contour 3 the blade 2 is in the region of the support flanks 9 with the Provided coating 7.
  • the blade root 8 inserted into the opening 6 by known techniques.
  • the coating 7 is formed, so that gaps between the support flanks 9, 10 are filled are.
  • the proposed coating 7 leads to an increase in the load capacity of the connection of about 10% up to 30%.

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Abstract

Es wird ein System und ein Verfahren zur Festlegung einer Schaufel (2) im Strömungskanal (4) einer Strömungsmaschine mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotorwelle (1) vorgestellt, wobei die Schaufel (2) in einem Verbindungsbereich an der Rotorwelle (1) oder an einer Wand des Strömungskanal (4) festgelegt ist. Es wird vorgeschlagen, dass der Verbindungsbereich eine deformierbare Schicht (7) aufweist. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Festlegung einer Schaufel im Strömungskanal einer Strömungsmaschine mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotorwelle, wobei die Schaufel in einem Verbindungsbereich an der Rotorwelle oder an einer Wand des Strömungskanals festgelegt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Schaufel für das erfindungsgemäße System sowie ein Verfahren zum Festlegen der Schaufel und eine Turbomaschine.
Strömungsmaschinen mit Schaufelanordnungen zur Wechselwirkung mit einer durch die Strömungsmaschine strömenden Fluidströmung sind grundsätzlich als Verdichter, Turbinen oder dergleichen bekannt. Um einen hohen Wirkungsgrad einer solchen Maschine erreichen zu können, werden zunehmend höhere physikalische Anforderungen an die verwendeten Materialien der Strömungsmaschine sowie deren Verarbeitung gestellt. So sind beispielsweise Betriebstemperatur und Betriebsdruck im Strömungskanal zur Verbesserung des Wirkungsgrads regelmäßig erhöht worden. Dies macht es erforderlich, Schaufeln aus einem besonders widerstandsfähigen Material herzustellen, wozu heute sowohl Stähle, beispielsweise hochlegierte Chromstähle, als auch keramische Werkstoffe verwendet werden. Die Rotorwelle, an der die Laufschaufeln festgelegt sind, besteht z. B. aus 3,5% Nickelstahl. Ein Augenmerk ist dabei auf die Festlegung der Schaufeln im Strömungskanal zu richten, da diese nicht nur über einen großen Temperaturbereich, sondern auch über einen großen Betriebsdruckbereich sicher in ihrer Position festgelegt sein müssen. Zusätzliche Beanspruchungen entstehen im bestimmungsgemäßen Betrieb an den auf der Rotorwelle angeordneten Laufschaufeln, beispielsweise Zentripetalkräfte, Vibrationen und dergleichen. Der Befestigung der Schaufeln an der Rotorwelle bzw. an der Wand des Strömungskanals ist daher eine besondere Aufmerksamkeit zu widmen.
Im Stand der Technik ist es bisher üblich, eine Verbidungskontur der Schaufeln als Schaufelfuß auszugestalten, welcher in eine entsprechend geformte Ausnehmung an der Rotorwelle bzw. an der Wand des Strömungskanals eingefügt wird. Hierdurch ist die Schaufel in ihrer Position festgelegt. Die Ausnehmung kann sowohl als Bohrung als auch als Nut, beispielsweise in Längsrichtung des Strömungskanals oder auch umlaufend ausgebildet sein, wobei vorzugsweise eine profilierte Kontur vorgesehen ist.
Oftmals ist die Verbindungskontur des Schaufelfußes stufig ausgebildet, wodurch ein überbestimmtes System entsteht. Aber auch andere Konturen, beispielsweise kontinuierliche große Flächen, gekrümmte Flächen oder dergleichen, die bei der Befestigung von Schaufeln verwendet werden, führen zu einer überbestimmten Festlegung. Es ist daher ein besonderes Augenmerk auf die Herstellung bezüglich der Toleranzen zu richten. Im Stand der Technik werden Spalte aufgrund von Fertigungstoleranzen, welche in einer Größenordnung von wenigen Hunderstel-mm beim Stillstand der Strömungsmaschine liegen können, in Kauf genommen, wodurch die optimale Kraftübertragung jedoch nicht erreicht wird. Bei hoher Last ist die Verbindung derart ausgelegt, dass sich die Spalte zunehmend schließen. Dies ist jedoch für die Kraftübertragung zwischen Schaufel und Rotorwelle oder Strömungskanalwand nicht optimal. Wünschenswert wäre ein gleichmäßiges Anliegen aller oder der gesamten Tragflanken der Verbindungskontur der Schaufel.
Zur Verbesserung dieser Situation wird im Stand der Technik vorgeschlagen, auf der Verbindungskontur an den Tragflanken Materialausformungen vorzusehen, die sich beim ersten Betrieb der Strömungsmaschine abflachen und damit die Spalte reduzieren sollen. Gleichwohl werden Kavitäten gebildet, die sich hinsichtlich ihrer Wirkung vergleichbar nachteilig wie die Spalte verhalten. Als nachteilig erweist es sich ferner, dass das Fügen der Verbindungskontur der Schaufel, welche die Ausformungen trägt, in die zugehörige Öffnung durch die Ausformungen erschwert wird, insbesondere wenn ein vorhandenes Toleranzschema beibehalten werden soll. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass beim Fügen die Ausformungen abgeschert werden und die gewünschte Wirkung nicht erreicht wird. Weiterhin erweist sich das Anbringen der Ausformungen an den Tragflanken als kostenaufwändig.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes System derart weiterzubilden, dass die zuvor genannten Nachteile im Stand der Technik mit geringem Aufwand überwunden werden.
Als Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Verbindungsbereich eine deformierbare Schicht aufweist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, Spalte durch plastische Umformung einer Beschichtung des Verbindungsbereichs reduzieren zu können. Die Beschichtung weist vorzugsweise einen kleinen Tangentenmodul auf. Die Gefahr eines Abscherens von Materialausformungen wie beim Stand der Technik besteht im wesentlichen nicht mehr. Die Schicht kann mittels bekannten Herstellverfahren kostengünstig vorgesehen werden, beispielsweise als Metallfolie oder dergleichen. Die Schicht kann sowohl an einer Verbindungskontur als auch an einer aufnehmenden Kontur vorgesehen sein. Darüber hinaus kann die Schicht entweder nur an der Verbindungskontur oder an der aufnehmenden Kontur oder auch an beiden vorgesehen sein. Die Beschichtung kann beispielsweise aus einem Aluminium-Polyester, einer Kupfer-Nickel-Indium-Legierung oder dergleichen gebildet sein. Während eines Betriebs der Strömungsmaschine verformt sich die Schicht derart, dass sie eine Vergleichmäßigung bewirkt und somit die Spalte reduziert. Es kann auch vorgesehen sein, daß die Beschichtung aufgrund von Abnutzung eingeebnet wird. Dazu kann die Strömungsmaschine beispielsweise mehrmals angefahren werden. So sind beispielsweise Tragflanken der Kontur für eine höhere Kraftübertragung geeignet, da die Kraftübertragungsfläche größer wird und die Kraftübertragung vergleichmäßigt wird. Dies führt nicht nur zu einer größeren kontinuierlicheren Kraftübertragung, sondern darüber hinaus auch zu einer größeren Impulsbelastbarkeit, beispielsweise bei Vibrationen, Druck- und/oder Temperaturschwankungen. Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Strömungsmaschine können verbessert werden.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die deformierbare Schicht durch eine Beschichtung einer Verbindungskontur der Schaufel und/oder einer die Verbindungskontur aufnehmenden Kontur der Rotorwelle oder der Wand des Strömungskanals gebildet ist. Auf diese Weise kann die Schicht einstückig mit der Verbindungskontur vorgesehen sein. Mittels bekannter Beschichtungsverfahren, beispielsweise PVD, CVD oder dergleichen, kann eine sehr gleichmäßige, für eine Montage gut geeignete, kostengünstige Beschichtung erreicht werden. Die Beschichtung kann sowohl an der Verbindungskontur der Schaufel als auch an der aufnehmenden Kontur der Rotorwelle oder der Strömungskanalwand vorgesehen sein.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Kontur vollständig beschichtet ist. Eine besonders kostengünstige Herstellung kann erreicht werden, weil Aufwand zur Begrenzung der Beschichtung auf vorbestimmte Bereiche vermieden werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Beschichtung einen kleineren Elastizitätsmodul als der Werkstoff des Schaufelfußes aufweist. Unter Elastizitätsmodul wird hier die im Bereich des Maschinenbaus gängige technische Definition verstanden, wie sie auch Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 19. Auflage auf Seite C4, rechte Spalte beschreibt. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß ein Tangentenmodul der Beschichtung kleiner als der des Werkstoffs des Schaufelfusses ist, wobei der Tangentenmodul die mathematische Ableitung der Spannungs-Dehnungs-Kurve darstellt. So kann die Schaufel beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff bestehen, welcher für die hohen physikalischen Beanspruchungen im Strömungskanal geeignet ist, wohingegen die Beschichtung beispielsweise aus einem Metall gebildet sein kann, beispielsweise Eisen oder Legierungen hiervon. Der keramische Werkstoff weist beispielsweise ein E-Modul im Bereich von 30 bis 450 GPa auf, wohingegen die Beschichtung mit ihrem E-Modul im Bereich von 5 bis 20 GPa liegt. Vorteilhaft kann erreicht werden, dass durch entsprechende Krafteinwirkung die Beschichtung ihre anfängliche Position derart verändert, dass die Spalte reduziert oder sogar vermieden werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Beschichtung plastisch verformbar ist. So kann bereits beim Fügen eine Verformung der Beschichtung derart erfolgen, dass die Spaltbildung zumindest teilweise vermieden wird. Ferner kann die Beschichtung auch während des Betriebs der Strömungsmaschine verformt werden, um Spalte, die sich erst während des Betriebs der Strömungsmaschine bilden, zu verfüllen.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Beschichtung während der Montage durch Verformung verfestigbar ist. Eine dauerhaft gute Kraftübertragung kann erreicht werden. Darüber hinaus kann erreicht werden, dass der Schaufelfuß in der Öffnung mit hoher Qualität festgelegt wird. Spalte, die während des Betriebs durch Verformung der Beschichtung geschlossen werden, können auch außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs geschlossen bleiben. Vorzugsweise nimmt der Widerstand der Beschichtung mit zunehmender Verformung zu. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Beschichtung thermisch oder chemisch zu verfestigen. Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften bei wechselnder Beanspruchung oder Impulsbeanspruchung kann erreicht werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Kontur stufig ausgebildet ist. So kann die Kontur beispielsweise für eine Kraftübertragung vom Schaufelfuß auf die Öffnung angepasst sein, indem die Kontur des Schaufelfußes mit seiner Erstreckung in die Öffnung einen oder mehrere Rücksprünge aufweist. Die Beanspruchung durch die Kraftübertragung kann gleichmäßiger erfolgen. Eine höhere Belastbarkeit und eine höhere Zuverlässigkeit kann erreicht werden.
Mit der Erfindung wird ferner eine Schaufel für ein erfindungsgemäßes System mit einem eine Verbindungskontur aufweisenden Schaufelfuß vorgeschlagen, wobei die Verbindungskontur mit einer Beschichtung versehen ist. Insbesondere im Wartungsfall, wenn eine Schaufel ausgetauscht werden muss, ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung am Schaufelfuß und nicht in der Öffnung vorgesehen ist. So kann vermieden werden, dass die Öffnung bei einem Austausch einer Schaufel im Rahmen einer Wartung mit einer neuen Beschichtung versehen werden muss. Im Vergleich dazu erscheint das Aufbringen der Beschichtung am Schaufelfuß den geringeren Aufwand darzustellen, da die Schaufel im industriellen Herstellungsprozess mit vergleichsweise geringem Aufwand mit der Beschichtung versehen werden kann. Natürlich kann auch die Öffnung mit einer Beschichtung erneut versehen werden, wobei hierzu jedoch insbesondere bei großen Strömungsmaschinen, wie Gasturbinen, Dampfturbinen oder dergleichen, die entsprechenden Einrichtungen mobil zur Strömungsmaschine zu schaffen sind und der Anwendungsbereich in der Strömungsmaschine für den Einsatz der Vorrichtungen freizulegen ist. Vorzugsweise sind beim Austausch einer Schaufel Beschichtungsreste aus der Öffnung mit geeigneten Mitteln zu entfernen. Dies kann beispielsweise sowohl durch mechanisches Abtragen als auch durch chemische oder physikalische Behandlung erfolgen. Die erfindungsgemäße Schaufel eignet sich darüber hinaus auch zur Nacharbeitung, indem beispielsweise der Fußbereich einer demontierten Schaufel von Beschichtungsresten befreit und anschließend mit einer neuen Beschichtung versehen wird.
In einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Beschichtung über die gesamte Erstreckung der Verbindungskontur vorgesehen ist. Eine besonders einfache Herstellung der Beschichtung und Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens kann erreicht werden, da der gesamte Verbindungsbereich der Beschichtung unterzogen wird. Aufwand für die Herstellung sowie Kosten können reduziert werden.
Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Festlegen einer Schaufel im Strömungskanal einer Strömungsmaschine vorgeschlagen, wobei eine Verbindungskontur eines Schaufelfußes der Schaufel und/oder eine aufnehmende Kontur einer Öffnung in einer Wand des Strömungskanals oder einer im Strömungskanal drehbar gelagerten Rotorwelle mit einer Beschichtung versehen werden und der Schaufelfuß in die Öffnung eingefügt wird. Es kann erreicht werden, dass die Verbindungskontur einer höheren Beanspruchung standhält, weil Spalte in der Verbindungskontur reduziert werden. Dies führt zu einer größeren Kraftübertragungsfläche und zur Vergleichmäßigung der Kraftwirkung über die Erstreckung der Kontur. Qualität und Zuverlässigkeit der Verbindung können erhöht werden. Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch für eine Nachrüstung bei bereits bestehenden Strömungsmaschinen. So kann beispielsweise im Rahmen einer Wartung bei einer bestehenden Strömungsmaschine eine Schaufel mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung an der Verbindungskontur versehen werden. Dadurch, dass mit der Erfindung Spalte reduziert werden können, kann eine höhere Zuverlässigkeit erreicht werden. Insbesondere bei wechselnden Beanspruchungen oder auch bei Impulsbeanspruchungen kann eine zuverlässige sichere Kraftübertragung erreicht werden. Spannungsspitzen in der Verbindungskontur sowie auch in der Schaufel können reduziert werden. Darüber hinaus kann erreicht werden, dass Leckagen aufgrund von Spaltbildung reduziert werden können. Insbesondere bei Längsnuten kann eine deutliche Verbesserung einer Dichtungswirkung erreicht werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Beschichtung durch einen Betrieb der Strömungsmaschine geformt wird. So kann erreicht werden, dass die Beschichtung durch den Betrieb derart geformt wird, dass Spalte, die sich erst während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Strömungsmaschine ausbilden oder verändern, durch die Beschichtung reduziert werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Beschichtung verfestigt wird. Hierzu kann die Beschichtung beispielsweise Zusatzstoffe enthalten, die durch Verflüchtigung oder auch durch chemische Reaktion oder Einwirkung von Wärme dazu führen, dass die Beschichtung sich verfestigt. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Beschichtung sich während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Strömungsmaschine verfestigt und so dauerhaft die Spaltbildung während eines bestimmungsgemäßen Betriebs der Strömungsmaschine reduziert.
Mit der Erfindung wird ferner eine Turbomaschine, wie eine Dampfmaschine, eine Gasturbine oder dergleichen, mit einer in einem Strömungskanal eines Gehäuses drehbar gelagerten Rotorwelle, die Laufschaufeln aufweist, und mit im Strömungskanal drehfest angeordneten Leitschaufeln vorgeschlagen, wobei ein erfindungsgemäßes System vorgesehen ist. Gerade bei den hohen physikalischen und chemischen Beanspruchungen der Turbomaschinen erweisen sich die Vorzüge des erfindungsgemäßen Systems als besonders vorteilhaft. Durch hohe Temperaturbeanspruchungen und auch wechselnde Belastungen sind Spalte im Verbindungsbereich einer Schaufel nicht ungewöhnlich. Mit dem erfindungsgemäßen System besteht nun erstmals die Möglichkeit, die Ausbildung solcher Spalte und deren nachteilige Auswirkungen deutlich zu reduzieren. Die Turbomaschine kann somit höheren Beanspruchungen standhalten, da die Kraftübertragung der Schaufeln auf das entsprechende Bauteil, an dem sie festgelegt sind, verbessert werden kann. So kann beispielsweise eine höhere Leistung der Turbomaschine erreicht werden. Es kann aber auch erreicht werden, dass die Turbomaschine für einen unstetigen Betrieb robuster ausgeführt ist, denn, wie bereits oben ausgeführt, kann die Einwirkung von wechselnden Beanspruchungen und/oder Impulsbeanspruchungen deutlich verbessert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Schaufel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren festgelegt ist. So kann beispielsweise eine Turbomaschine auch nachträglich mit dem erfindungsgemäßen System ausgerüstet werden. Eine weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit der Turbomaschine kann erreicht werden. So können beispielsweise Wartungsintervalle vergrößert werden, wodurch sich Betriebskosten sowie auch Standzeiten reduzieren können.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. Im wesentlichen gleichbleibende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:
Fig. 1
schematisch einen Ausschnitt der Laufschaufelbefestigung einer Turbomaschine mit einem erfindungsgemäßen System und
Fig. 2
eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 gekennzeichneten Bereichs.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Strömungskanal 4 einer nicht weiter dargestellten Dampfturbine, wobei abschnittsweise eine Rotorwelle 1 aus einem 3,5% Nickelstahl sowie eine an dieser befestigte Laufschaufel 2 dargestellt sind, welche aus einem hochlegierten Chromstahl gebildet ist. Die Rotorwelle 1 weist eine Öffnung 6 auf, die mit einer stufenförmigen aufnehmenden Kontur 5 versehen ist. Die Schaufel 2 weist in ihrem unteren Bereich einen Schaufelfuß 8 auf, der mit einer Verbindungskontur 3 versehen ist. Die Verbindungskontur 3 ist komplementär zur aufnehmenden Kontur 5 ausgebildet. Durch die Verbindungskontur 3 und die aufnehmende Kontur 5 liegt eine Überbestimmung derart vor, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht jede Tragflanke 9 zur Kraftübertragung an einer Tragflanke 10 anliegt, sondern teilweise in Abhängigkeit von Fertigungstoleranzen Spalte gebildet werden würden. Um hierdurch verursachte Spalte zu reduzieren bzw. zu vermeiden und eine größere Tragkraft zu erreichen, ist an den Tragflanken 9 des Schaufelfußes 8 eine Beschichtung 7 aus einer Kupfer-Nickel-Indium-Legierung vorgesehen. Der Tangentenmodul der Beschichtung 7 liegt bei etwa 10 GPa, wohingegen der Schaufelfuß 8 einen Tangentenmodul von etwa 210 GPa aufweist. Die Beschichtung 7 weist somit einen kleineren Tangentenmodul als der Werkstoff des Schaufelfußes 8 auf. Die Beschichtung 7 ist derart gewählt, dass sie plastisch verformbar ist. Somit kann jedes zusammengehörige Tragflankenpaar 9, 10 zur Übertragung von Kräften beitragen.
In der vorliegenden Ausgestaltung ist der Schaufelfuß 8 mit der stufenförmigen Verbindungskontur 3 versehen. Auf der drehbar gelagerten Rotorwelle 1 wird eine Öffnung 6 mit einer aufnehmenden Kontur 5 hergestellt. Die Verbindungskontur 3 der Laufschaufel 2 wird im Bereich der Tragflanken 9 mit der Beschichtung 7 versehen. Anschließend wird der Schaufelfuß 8 mittels bekannter Techniken in die Öffnung 6 eingefügt. Durch den Betrieb der Dampfturbine wird die Beschichtung 7 geformt, so dass Spalte zwischen den Tragflanken 9, 10 ausgefüllt sind. Während des Betriebs der Dampfturbine verfestigt sich die Beschichtung 7. Die vorgesehene Beschichtung 7 führt zu einer Erhöhung der Belastbarkeit der Verbindung von etwa 10% bis 30%.
Das in den Fign. dargestellte Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. So können insbesondere die Art des Aufbringens der Beschichtung als auch die zu beschichtenden Abschnitte der aufnehmenden Kontur und/oder der Verbindungskontur variieren. Das erfindungsgemäße System zum Festlegen einer Schaufel ist darüber hinaus nicht nur auf Dampfturbinen beschränkt, sondern kann beispielsweise auch auf Gasturbinen, Verdichter oder dergleichen angewendet werden, ohne die erfinderische Idee zu verlassen.

Claims (14)

  1. System zur Festlegung einer Schaufel (2) im Strömungskanal (4) einer Strömungsmaschine mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotorwelle (1), wobei die Schaufel (2) in einem Verbindungsbereich an der Rotorwelle (1) oder an einer Wand des Strömungskanals (4) festgelegt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich eine deformierbare Schicht (7) aufweist.
  2. System nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die deformierbare Schicht (7) durch eine Beschichtung einer Verbindungskontur (3) der Schaufel (2) und/oder einer die Verbindungskontur (3) aufnehmenden Kontur (5) der Rotorwelle (1) oder der Wand des Strömungskanals (4)gebildet ist.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (3, 5) vollständig beschichtet ist.
  4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) einen kleineren Elastizitätsmodul als der Werkstoff der Verbindungskontur (3) der Schaufel (2) aufweist.
  5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (7) plastisch verformbar ist.
  6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (7) während der Montage durch Verformung verfestigbar ist.
  7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (3, 5) stufig ausgebildet ist.
  8. Schaufel (2) für ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem eine Verbindungskontur (3) aufweisenden Schaufelfuß (8),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskontur (3) mit einer Beschichtung (7) versehen ist.
  9. Schaufel nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) über die gesamte Erstreckung der Verbindungskontur (3) vorgesehen ist.
  10. Verfahren zum Festlegen einer Schaufel (2) im Strömungskanal (4) einer Strömungsmaschine, wobei eine Verbindungskontur (3) eines Schaufelfußes (8) der Schaufel (2) und/oder eine aufnehmende Kontur (5) einer Öffnung (6) in einer Wand des Strömungskanals (4) oder in einer im Strömungskanal (4) drehbar gelagerten Rotorwelle (1) mit einer Beschichtung (7) versehen werden und der Schaufelfuß (8) in die Öffnung (6) eingefügt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) durch einen Betrieb der Strömungsmaschine geformt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) verfestigt wird.
  13. Turbomaschine mit einer in einem Strömungskanal (4) eines Gehäuses drehbar gelagerten Rotorwelle (1), die Laufschaufeln (2) aufweist, und mit im Strömungskanal (4) drehfest angeordneten Leitschaufeln (2),
    dadurch gekennzeichnet
    ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  14. Turbomaschine nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaufel (2) nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 festgelegt ist.
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