EP1715140A1

EP1715140A1 - Turbinenschaufel mit einer Deckplatte und einer auf der Deckplatte aufgebrachte Schutzschicht

Info

Publication number: EP1715140A1
Application number: EP05008811A
Authority: EP
Inventors: Albert Dr. Schrey; Gerhard Schwass; Armin Dr. De Lazzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2006-10-25
Also published as: US20090022583A1; EP1871991A1; CN101163862B; JP4874329B2; JP2008538399A; WO2006111427A1; US8021120B2; CN101163862A

Abstract

Eine Turbinenschaufel (16) mit einer an das Schaufelblatt (18) angeformten Deckplatte (20) soll bei einem hohen Wirkungsgrad für einen besonders zuverlässigen und sicheren Betrieb in einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine (2) ausgelegt sein. Dazu ist erfindungsgemäß auf die vom Schaufelblatt (18) abgewandte Oberfläche der Deckplatte (20) eine Schutzschicht aus einem Alternativmaterial aufgebracht, wodurch das Reibverhalten gegenüber einer der Schutzschicht (28) gegenüberliegenden Turbinenkomponente, insbesondere einem Dichtband (30), gezielt beeinflussbar ist und somit im Falle des Anstreifens besonders günstige Notlaufeigenschaften bereitgestellt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einer an das Schaufelblatt angeformten Deckplatte sowie eine mit einer Anzahl von derartigen Turbinenschaufeln versehene Dampfturbine.
Die Turbinenschaufeln von Dampfturbinen sind häufig mit einer jeweils kopfseitig am Schaufelblatt angeformten Deckplatte versehen. Üblicherweise sind die jeweils zu Lauf- oder Leitschaufelreihen zusammengefassten Turbinenschaufeln derart am Rotor oder am Gehäuse der Dampfturbine angeordnet, dass die Gesamtheit der jeweils seitlich über das Schaufelblatt überstehenden Deckplatten einer Schaufelreihe einen umlaufenden Ring, ein so genanntes Deckband, ausbildet. Dabei werden die Deckplatten der einer Schaufelreihe zugeordneten Turbinenschaufeln beim Einbau in der Regel derart gegeneinander verkeilt oder verklemmt, dass auf weitere Befestigungsmittel oder Verbindungselemente zwischen den einzelnen Deckplatten verzichtet werden kann. Durch die Kopplung der Turbinenschaufeln im ringförmigen Deckband werden in Folge hoher dynamischer Beanspruchung auftretende Vibrationen oder Verwindungen einzelner Turbinenschaufeln wirkungsvoll unterdrückt.
Die jeweils zu einem Deckband zusammengefassten Deckplatten einer Schaufelreihe sind für eine Minimierung der durch Sekundärströmung über die Schaufelspitzen bzw. das Deckband hinweg verursachten Spalt- und Randverluste ausgelegt. Dazu ist insbesondere im Volllastbetrieb der Dampfturbine eine möglichst geringe Spaltbreite zwischen dem Deckband und dem ihm gegenüberliegenden Gehäuse oder Rotor angestrebt. Andererseits sollte ein Anstreifen während des Betriebs möglichst vermieden werden. Besonders während instationärer Betriebsvorgänge, also z. B. beim Anfahren oder bei Lastwechseln, besteht jedoch die Gefahr vergleichsweise großer, durch unterschiedliche thermische Ausdehnung verursachter relativer Längenänderungen der beteiligten Bauteile, so dass in Ausnahmefällen doch mit einem Anstreifen gerechnet werden muss. Um die Ausdehnung potentieller Kontaktstellen möglichst klein zu halten und somit auch die im Falle einer Berührung auftretenden Reibungskräfte zu minimieren, kommen am Deckband oder am ihm gegenüberliegenden Gehäuse oder Rotor befestigte, in Umfangsrichtung verlaufende Metallstreifen oder Metallringe, so genannte Dichtbänder, zum Einsatz. Wenn sich rotierender und feststehender Teil näher als geplant aneinander annähern, kommen dabei zuerst die vergleichsweise dünnen Dichtbänder in Kontakt mit dem gegenüberliegenden Bauteil, wobei sich die Oberflächen der beiden Kontaktpartner in einer üblicherweise örtlich begrenzten Verschleißregion gegenseitig abschleifen. Dadurch sind zumindest im Falle einmaligen oder kurzzeitigen Anstreifens ausreichende Notlaufeigenschaften sichergestellt.
Treten derartige Betriebszustände allerdings häufiger auf, so besteht im Fall, dass die Dichtbänder jeweils an der dem Deckband gegenüberliegenden Turbinenkomponente angebracht sind - also am Gehäuse (im Fall eines Laufschaufeldeckbandes) oder am Rotor (im Fall eines Leitschaufeldeckbandes) -, die Gefahr eines fortgesetzten, die Deckplatten oder das Deckband in seiner Gesamtheit schädigenden Verschleißes. Dabei kann sich das Dichtband unter Umständen tief in das Deckband "hineinfressen", was nach einiger Zeit sogar zu einer fast vollständigen Abtragung des Deckbandes führen kann. Die Stabilität des ursprünglich ringförmig geschlossenen Deckplatten-Verbundes wird durch verschleißbedingte lokale Unterbrechungen erheblich herabgesetzt, was das Auftreten von Schaufelschwingungen begünstigt. Zudem können sich bei fortgesetztem Verschleiß oder allzu großen Schwingungsamplituden makroskopisch große Bruchstücke oder sogar ganze Turbinenschaufeln ablösen, welche dann mit großer Wucht gegen die Turbinenschaufeln oder Gehäuseteile der nachfolgenden Turbinenstufen geschleudert werden. Dies kann im Extremfall zu einer vollständigen Zerstörung der Dampfturbine führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel der oben genannten Art anzugeben, die bei einem hohen Wirkungsgrad für einen besonders zuverlässigen und sicheren Betrieb ausgelegt ist. Des Weiteren soll eine mit derartigen Turbinenschaufeln ausgestattete Dampfturbine angegeben werden.
Bezüglich der Turbinenschaufel wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem auf die vom Schaufelblatt der Turbinenschaufel abgewandte Oberfläche der Deckplatte eine Schutzschicht aus einem Alternativmaterial aufgebracht ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Dampfturbine zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades für einen Betrieb mit so genannten "hohen Dampfparametern" ausgelegt sein sollte. Insbesondere sollte eine Beaufschlagung der Turbinenschaufeln mit möglichst hoch temperiertem Dampf erfolgen. Dabei werden Dampftemperaturen von über 500 °C bis hin zu etwa 700 °C angestrebt. Dementsprechend sollten die Turbinenschaufeln, aber auch die den Strömungskanal für den Dampf bildenden Gehäusekomponenten aus hochwarmfestem Material gefertigt sein. Im Hinblick auf die vergleichsweise starke mechanische Belastung der Turbinenschaufeln, insbesondere der mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Laufschaufeln, sollte das Material zur Fertigung des jeweiligen Schaufelkörpers bei den auslegungsgemäß vorgesehenen hohen Betriebstemperaturen höchste Anforderungen an mechanische Stabilität und Rissfestigkeit erfüllen. Um die Fertigungskosten für die Turbinenschaufeln möglichst gering zu halten, sollte sich das Material gleichzeitig aber auch relativ einfach verarbeiten lassen (z. B. durch Gießen). Weiterhin sollte zur Vermeidung von Strömungsverlusten der jeweilige Radialspalt zwischen dem die Schaufelspitzen einer Schaufelreihe verbindenden Deckband und den ihm gegenüberliegenden Turbinenkomponenten (also dem Turbinengehäuse im Falle eines Laufschaufeldeckbandes oder dem Rotor im Falle eines Leitschaufeldeckbandes) eine möglichst geringe Breite aufweisen. Da es unter dem Einfluss der auslegungsgemäß vorgesehenen hohen Betriebstemperaturen sowie auf grund evtl. auftretender Abweichungen im Temperaturprofil von einem zur Mittelachse der Dampfturbine symmetrischen Temperaturprofil zu Deformationen des Rotors und/oder des Gehäuses und somit zu Abweichungen der Spaltform von einer perfekten Ringform kommen kann, sollte bei der Auslegung der Dampfturbine in den kritischen Regionen größter Annäherung zumindest ein vorübergehender Kontakt zwischen dem Deckband und dem ihm gegenüberliegenden Rotor oder Gehäuse nicht grundsätzlich ausgeschlossen sein. Vielmehr sollten auch im Falle des Anstreifens zur Vermeidung von katastrophalen Turbinenschäden ausreichende Notlaufeigenschaften sichergestellt sein. Bevorzugterweise sollten derartige Anstreifvorgänge sogar wiederholt im Regelbetrieb der Turbine erlaubt sein, ohne dass dies merkliche Konsequenzen nach sich zieht.
Die Erfindung geht weiterhin von der Überlegung aus, dass die Qualität derartiger Notlaufeigenschaften durch das Reibverhalten zwischen den jeweiligen Kontaktflächen bestimmt ist. Neben den Eigenschaften eines unter Umständen an den Grenzflächen vorhandenen Flüssigkeitsfilms aus kondensierten Dampfpartikeln geht direkt das jeweilige Oberflächenmaterial der beiden Reibpartner in die Reibungseigenschaften ein, wobei nicht nur ein möglichst geringer Reibungskoeffizient angestrebt wird, sondern auch die Art des bei der Reibung auftretenden Verschleißes berücksichtigt werden sollte.
Als besonders schädlich wurde dabei der durch Ausbildung einer örtlichen Grenzflächen-Haftverbindung und anschließendes Aufreißen der Festkörperverbindung hervorgerufene so genannte "Adhäsionsverschleiß" erkannt, der mit Werkstoffausbruch und Werkstoffübertragung auf den die Ausbruchstelle berührenden Reibpartner verbunden ist. Mit anderen Worten: Von einem der Reibpartner abgetragene Mikropartikel sammeln sich auf der Oberfläche des anderen Reibpartners und können dort größere Klumpen ausbilden, die wiederum die Verschleißwirkung erhöhen. Das akkumulierte Material übt dabei aufgrund seiner Keilwirkung Schläge auf die Rotorwelle aus.
Gerade dieser sich selbst verstärkende Mechanismus des Adhäsionsverschleißes, bei dem sich unter Umständen vergleichsweise große Bruchstücke von der Verschleißstelle ablösen, sollte für einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb der Dampfturbine mit einkalkulierten, gelegentlich auftretenden Anstreifvorgängen vermieden sein. Jedoch weisen möglicherweise gerade diejenigen Werkstoffe, deren Einsatz aus Festigkeitsgründen oder aus Gründen der Verarbeitbarkeit für die Fertigung der Turbinenschaufeln und der an diese jeweils angeformten Deckplatten bevorzugt ist, in Relation zu der dem Deckband gegenüberliegenden Oberfläche (in der Regel die Oberfläche eines metallischen Dichtbandes) ein ungünstiges Reibverhalten auf. Durch das Aufbringen einer Schutzschicht aus einem Alternativmaterial auf die Oberfläche der jeweiligen Deckplatte bzw. des Deckbandes werden daher zusätzliche Freiheitsgrade zur gezielten Beeinflussung der Reibpaarung bereitgestellt. Diese äußere Schicht muss nämlich keine tragende Funktion wahrnehmen, sondern kann stattdessen spezifisch auf die Bereitstellung von besonders günstigen Reib- und Verschleißeigenschaften in Relation zum jeweiligen Reibpartner, insbesondere unter Vermeidung von Adhäsionsverschleiß, ausgerichtet sein. In Anbetracht der erzielbaren Vorteile ist dabei ein geringfügig erhöhter Fertigungsaufwand durchaus hinzunehmen.
Zu Vermeidung möglicher Bruchstellen ist der besonders stark beanspruchte, das Schaufelblatt und die Deckplatte umfassende Schaufelkörper der Turbinenschaufel vorteilhafterweise aus einem einkomponentigen Werkstück gefertigt. Als warmfestes Material für die Deckplatte oder den gesamten Schaufelkörper könnte beispielsweise Stahl, insbesondere Stahl mit 10 % bis 13 % Chromanteil, zum Einsatz kommen. Als besonders hitze- und auch korrosionsbeständiger Werkstoff, der für Dampftemperaturen von bis zu 700 °C geeignet ist, wird als Grundmaterial für den Schaufelkörper jedoch vorzugsweise eine Nickelbasislegierung oder eine Kobaltbasislegierung verwendet.
Vorteilhafterweise ist die auf die Oberfläche der jeweiligen Deckplatte aufgebrachte Schutzschicht durch eine so genannte Panzerlegierung auf Kobalt-Basis gebildet. Die Zusammensetzung der Legierung ist dabei spezifisch auf eine hohe Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit sowie die Bereitstellung eines vorteilhaften Reibverhaltens im Zusammenspiel mit dem jeweiligen (potentiellen) Reibpartner, also insbesondere einem dem jeweiligen Deckband gegenüberliegenden metallischen Dichtband, ausgerichtet. Als vorteilhaft wird dabei angesehen, wenn sich die beiden Kontaktflächen im Falle des Anstreifens unter Ablösung vergleichsweise kleiner metallischer Staubpartikel gegenseitig abschleifen, ohne dass es zur Werkstoffübertragung oder zum Ausbruch größerer Teilstücke kommt. Dabei wird der mikroskopisch feine Schleifstaub einfach mit dem die Turbine durchströmenden Dampf mitgerissen und aus dem Strömungskanal abtransportiert.
Im konkreten Fall muss die Zusammensetzung der die Schutzschicht bildenden Panzerlegierung auf das Material der gegenüberliegenden Dichtbänder abgestimmt sein. Im Rahmen von Vergleichsversuchen hat sich im Allgemeinen eine Legierung als vorteilhaft erwiesen, die neben Kobalt (chemisches Symbol: Co) auch Anteile an Nickel (Ni), Eisen (Fe), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Kohlenstoff (C), Silizium (Si) und Wolfram (W) enthält. Besonders vorteilhaft ist folgende Zusammensetzung (Angaben in Gewichtsprozent):

Ni Fe C Cr Mn Si W

max. 3 max. 3 1,1-1,2 28 1,0-1,1 1,0-1,1 4,5
Derartige Panzerlegierungen sind auch unter dem von der Deloro Stellite Company eingetragenen Warenzeichen "Stellite" geläufig. Besonders bevorzugt im Rahmen des neuen Konzepts ist die Verwendung der Materialklasse "Stellit Nr. 6".
Vorzugsweise ist die zur Panzerung des Deckbandes eingesetzte Hartlegierung durch ein Auftragschweißverfahren auf die Deckbandoberfläche aufgebracht und somit stoffschlüssig mit dem Grundmaterial verbunden. Dabei wird das Beschichtungsmaterial durch Auftragen von Schweißraupen in einer oder in mehreren Lagen mit z. B. einem Gas-, Lichtbogen- oder Schutzgasschweißverfahren auf die Werkstückoberfläche aufgebracht. Auch das so genannte Plasma-Pulver-Auftragschweißen oder das Laserstrahl-Auftragschweißen können zum Einsatz kommen. Die eingesetzten Auftragschweißlegierungen werden je nach gewähltem Verfahren als Draht, Stab, Pulver oder Paste zugegeben. Aufgrund ihrer in der Regel glatten und flachen Oberfläche können die Deckplatten bzw. die Deckbänder von Turbinenschaufeln besonders gut auf diese Weise beschichtet werden.
Im Gegensatz zu mit denkbaren alternativen Beschichtungsverfahren, wie z. B. Bedampfen, Oberflächenhärten, Nitrieren oder Borieren erzeugbaren Oberflächenbeschichtungen im µm-Bereich, weist die derart erzeugte Schutzschicht eine signifikante Dicke von vorzugsweise ungefähr 1 mm oder mehr auf. Somit ist eine vergleichsweise lange Lebensdauer der Schutzschicht sichergestellt, wobei diese prinzipiell den kompletten Abtrag des ihr gegenüberliegenden Dichtbandes überlebt, ohne dass das Grundmaterial der Deckplatten beschädigt wird.
In einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung ist als Schutzschicht auf der vom Schaufelblatt abgewandten Oberfläche der Deckplatte eine Hartstoffschicht vorgesehen. Als Hartstoffe werden in für den Fachmann einschlägiger Weise naturharte Werkstoffe, die keiner Wärmenachbehandlung zum Härten unterzogen werden müssen, bezeichnet. Die Verwendung derartiger Hartstoffe besitzt den Vorteil, dass der Verschleiß einer daraus hergestellten Schutzschicht auch nach einem längeren Einsatz vergleichsweise gering ist, und dass statt dessen im Falle eines Kontaktes gezielt das im Vergleich dazu weichere Dichtband am der Deckplatte gegenüberliegenden Gehäuse oder Rotor der Dampfturbine abgearbeitet wird. So muss lediglich von Zeit zu Zeit das Dichtband erneuert werden.
Es sind Hartstoffe mit kovalenter, mit ionischer oder mit metallischer Bindung bekannt. Ein prominenter Vertreter der Hartstoffe mit kovalenter Bindung und zugleich das härteste natürlich vorkommende Mineral ist der Diamant. Zu den Hartstoffen mit ionischer Bindung werden beispielsweise Aluminiumoxid oder Chromoxid, aber auch Keramik gezählt.
Die zum Schutz der jeweiligen Deckplatte bzw. des Deckbandes vorgesehene Beschichtung ist vorzugsweise aus einem metallischen Hartstoff hergestellt. Bevorzugt sind dabei bzgl. ihres Reibverhaltens sowie aufgrund ihrer mechanischen und thermischen Stabilität die von den Elementen der Übergangsmetalle gebildeten Karbide und Nitride. Als besonders bevorzugter Hartstoff ist Chromkarbid oder Titannitrid oder Bornitrid vorgesehen.
Die vorzugsweise durch auch im industriellen Maßstab besonders effektiv zu handhabendes Plasmaspritzen, Flammspritzen oder durch ein PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) erzeugten Hartstoffschichten zeichnen sich durch eine gute Haftfestigkeit auf dem metallischen Untergrund der Deckplatte sowie durch hohe Reinheit und damit durch besonders klar definierte und unverfälschte Oberflächeneigenschaften aus. Die Dicke derartiger Hartstoff-Dünnschichten liegt üblicherweise im µm-Bereich.
Die Schutzschicht könnte jeweils einzeln auf die Deckplatten der Turbinenschaufeln aufgebracht werden, bevor deren Montage am Rotor oder am Gehäuse der Dampfturbine erfolgt. Beim Aufbringen einer Hartstoff-Dünnschicht (etwa durch ein PVD-Verfahren oder durch Plasmaspritzen oder dergleichen), insbesondere aber auch bei einer Panzerung durch Auftragschweißen ("Stellitieren") ist es jedoch besonders vorteilhaft, das aus den Deckplatten der bereits montierten Turbinenschaufeln gebildete und auf Kreisform gedrehte Deckband insgesamt einer Beschichtung zu unterziehen. Die zum Aufbringen der Schutzschicht notwendigen Fertigungsschritte (die eine Vor- und Nachbehandlung beinhalten können) werden also jeweils auf einen eine Mehrzahl von Deckplatten umfassenden Abschnitt des Deckbandes angewandt. Im montierten Zustand sind nämlich für das Auftragschweißen nur vergleichsweise wenige lange Schweißraupen über den Umfang des Deckbandes zu ziehen, im Gegensatz zu hunderten von kurzen Schweißraupen bei den einzelnen Schaufeln. Die nunmehr vorgesehene Methode ist in prozesstechnischer Hinsicht schneller und sicherer und liefert wegen der geringeren Zahl von An- und Absetzstellen bessere Qualität. Sie ist auch in besonderer Weise für eine Reparatur oder Ertüchtigung eines verschlissenen oder noch nicht beschichteten alten Deckbandes geeignet.
Vorteilhafterweise ist auf die Hartstoffschicht eine abrasive Schicht aufgebracht. Beim gegenseitigen Kontakt kann sich das metallische Dichtband zuerst in diese abrasive, d. h. weiche Schicht einarbeiten, bevor es mit der darunterliegenden Hartstoffschicht in Berührung kommt. Das Dichtband wird beim Kontakt mit der abrasiven Schicht nicht beschädigt, sondern behält seine ursprünglichen Abmessungen und Dichtwirkung. Mit anderen Worten: Da sich die Oberflächenkontur der abrasiven Schicht an das darüberliegende oder hinweggleitende Dichtband anpasst (die abrasive Schicht "gibt bei Bedarf nach"), kann das Radialspiel zwischen dem rotierenden und dem feststehenen Teil der Dampfturbine bewusst klein gehalten werden, was zu einem hohen Wirkungsgrad beiträgt.
Die angegebene Turbinenschaufel ist vorzugsweise Bestandteil einer Dampfturbine. Sie könnte aber auch in einer Gasturbine zum Einsatz kommen. Dabei ist jeweils eine Anzahl derartiger Turbinenschaufeln zu einer Schaufelreihe zusammengefasst, wobei die Deckplatten der einer Schaufelreihe zugeordneten Turbinenschaufeln jeweils derart geformt und in Relation zueinander angeordnet sind, dass sie ein umlaufendes, mit einer Schutzschicht aus einem Alternativmaterial überzogenes Deckband ausbilden. Im Fall einer Laufschaufelreihe ist der beschichteten Oberfläche des zugeordneten Laufschaufeldeckbandes gegenüberliegend vorteilhafterweise eine Anzahl von umfänglich an der Innenseite des Turbinengehäuses angeordneten Dichtbändern vorgesehen. Im Falle einer Leitschaufelreihe sind derartige Dichtbänder vorteilhafterweise der beschichteten Oberfläche des Leitschaufeldeckbandes gegenüberliegend an der Außenseite der Turbinenwelle angeordnet.

Vorzugsweise umfasst ein derartiges Dichtband eine Anzahl von ringabschnittsförmig gebogenen oder geformten Streifen, welche aus einem hoch-warmfesten, kaltverformbaren Stahl, insbesondere aus einem martensitischen oder austenitischen Stahl oder einem Nickel-Basismaterial, hergestellt sind. In der folgenden Tabelle sind einige geeignete Beispiele mit ihren chemischen Bezeichnungen, ihren Handelsnamen (soweit vorhanden) und ihren internationalen Werkstoffnummern aufgeführt:

chemische Bezeichnung	Werkstoffnummer	Handelsname
X20CrMo13KG	1.4120
X22CrMoV12-1KG	1.4923
X6CrNiMoTi17-12-2	1.4571
X6NiCrTiMoVB25-15-12	1.4980	A286
NiCr23Co12Mo	2.4663	Inconel 617
NiCr20Ti	2.4951	Nimonic 75

Anstelle von in eine korrespondierende Aufnahmenut eingestemmten (d. h. mit Stemm-Material in ihrem Sitz verfestigten) oder direkt eingelegten ("eingerollten") Dichtbändern können auch an die dem Deckband gegenüberliegende Turbinenkomponente (Rotor oder Gehäuse bzw. ein Teilsegment davon) angeformte oder angedrehte Dichtrippen vorgesehen sein. Die Dichtbänder oder Dichtrippen können ggf. auch spiralförmig umlaufend ausgeführt sein.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die durch das Aufbringen einer Schutzschicht auf die jeweilige Deckplatte gewonnenen Freiheitsgrade hinsichtlich Materialwahl und Oberflächenstrukturierung gezielt für eine vorteilhafte Beeinflussung des Reibverhaltens gegenüber einem möglicherweise mit der Deckplatte in Kontakt tretenden Dichtband ausgenutzt werden. Die Radialspiele zwischen dem rotierenden und dem feststehenden Teil der Dampfturbine können geringer ausgeführt werden, da bei Kontakt vergleichsweise günstige Notlaufeigenschaften bestehen. Dadurch lassen sich bessere Wirkungsgrade realisieren, als wenn durch hinreichend große Radialspiele bzw. einen großzügig ausgelegten Sicherheitsabstand ein Kontakt unter allen Umständen vermieden wird. Das für die Stabilität der ringförmigen Deckbandstruktur maßgebliche Deckbandgrundmaterial ist durch die aufgebrachte Schutz- bzw. Trennschicht vor reibungs- und/oder korrosionsbedingtem Verschleiß geschützt. Sofern die Schutzschicht eine ausreichende Härte aufweist, lassen sich Abriebserscheinungen weitestgehend einseitig auf das Dichtband verlagern, welches sich von Zeit zu Zeit auf vergleichsweise einfache Art und Weise erneuern lässt.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1: eine schematische Darstellung einer Dampfturbine im Längsschnitt (Ausschnitt),
FIG 2: einen Querschnitt durch eine Dampfturbine gemäß FIG 1 mit einer Mehrzahl von zu einer Schaufelreihe zusammengefassten Turbinenschaufeln, wobei die Deckplatten der einzelnen Turbinenschaufeln zu einem umlaufenden Deckband zusammengeführt sind,
FIG 3: eine Detaildarstellung einer mit einer Deckplatte versehenen Turbinenschaufel in einer Dampfturbine nach FIG 1, wobei auf die Deckplatte eine Schutzschicht aus einem Alternativmaterial aufgebracht ist,
FIG 4: eine Turbinenschaufel mit einer eine Schutzschicht aufweisenden Deckplatte in einer alternativen Ausführungsform, und
FIG 5: eine Turbinenschaufel mit einer eine Schutzschicht aufweisenden Deckplatte in einer weiteren alternativen Ausführungsform.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt eine Dampfturbine 2 mit einer Anzahl von mit der Turbinenwelle 4 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 6. Die Laufschaufeln 6 sind jeweils kranzförmig an der Turbinenwelle 4 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Dampfturbine 2 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 8, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Turbinengehäuse 10 der Dampfturbine 2 befestigt sind. Der von der Turbinenwelle 4 und dem Turbinengehäuse 10 begrenzte Strömungskanal 12 der Dampfturbine 2 wird in einer parallel zur Mittelachse 14 verlaufenden Hauptströmungsrichtung von einem dampfförmigen Arbeitsmedium M durchströmt, wobei der eingangsseitig auf eine Temperatur von über 540 °C erhitzte und unter einem hohen Druck von z. B. 250 bar stehende Dampf sich arbeitsleistend entspannt und dabei durch Impulsübertragung auf die Laufschaufeln 6 die Turbinenwelle 4 antreibt. Die Leitschaufeln 8 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar von einem Kranz von Leitschaufeln 8 oder einer Leitschaufelreihe und von einem Kranz von Laufschaufeln 6 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
FIG 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem senkrecht zur Mittelachse 14 verlaufenden Querschnitt durch die Dampfturbine 2, auf der eine Anzahl von Turbinenschaufeln 16 - in diesem Fall eine Anzahl von Laufschaufeln 6 - erkennbar ist. Die kranzförmig an der Turbinenwelle 4 befestigten Laufschaufeln 6 weisen an ihrem kopfseitigen, d. h. radial nach außen gerichteten Ende jeweils eine an das profilierte Schaufelblatt 18 angeformte und seitlich überstehende Deckplatte 20 auf. Die Deckplatten 20 je zweier benachbarter Laufschaufeln 6 berühren sich gegenseitig. Die Deckplatten 20 werden nämlich bei der Montage der Laufschaufeln 6 an der Turbinenwelle 4 derart gegeneinander verspannt, dass sich ein geschlossener ringförmiger Verbund, ein so genanntes Deckband 22, ausbildet. Dadurch werden Verwindungen der einzelnen Schaufelblätter 18 oder Schwingungen der Schaufelspitzen wirkungsvoll unterdrückt. In aerodynamischer Hinsicht ist zwar ein Anliegen benachbarter Deckplatten über ihre gesamte axiale Erstreckung (in Richtung der Turbinenachse) wünschenswert, jedoch aus konstruktiven Gründen nicht immer zu verwirklichen. Eine "Linienberührung" während des Betriebs, bei der das Band also nur an einer Stelle in axialer Erstreckungsrichtung geschlossen ist (so wie in FIG 2 gezeigt), ist in der Praxis durchaus ausreichend.
Der Radialspalt 24 zwischen dem kreisförmigen äußeren Umfang des Deckbandes 22 und der ihm gegenüberliegenden Innenseite des Turbinengehäuses 10 ist einerseits möglichst klein gehalten, um die Spaltverluste (durch die Sekundärströmung des Arbeitsmediums M über die Schaufelspitzen bzw. über das Deckband 22 hinweg) zu minimieren. Andererseits ist der Radialspalt 24 so breit dimensioniert, dass gewisse, üblicherweise während des Betriebs der Dampfturbine 2 auftretende erwärmungsbedingte oder durch mechanische Einflüsse hervorgerufene Fluktuationen der Radien oder Abweichungen von der Kreisform nicht zu einem Anstreifen des rotierenden Deckbandes 22 führen.
Neben den Laufschaufeln 6 können auch die Leitschaufeln 8 der Dampfturbine 2 am jeweiligen Schaufelblatt 18 angeformte Deckplatten 20 aufweisen, die in ihrer Gesamtheit ein der jeweiligen Leitschaufelreihe zugeordnetes Deckband 20, in diesem Fall also ein Leitschaufeldeckband, ausbilden, welches in analoger (aber hier nicht näher dargestellter) Weise durch einen Radialspalt 24 von der Turbinenwelle 4 beabstandet ist.
Der Wirkungsgrad der Dampfturbine 2 ist durch die Vorgabe eines besonders kleinen Radialspiels optimiert, wodurch allerdings auch die Wahrscheinlichkeit von Anstreifvorgängen ansteigt. Um dennoch eine hohe Betriebssicherheit gewährleisten zu können, sind die Turbinenschaufeln 16 der Dampfturbine 2 spezifisch auf die Bereitstellung günstiger Notlaufeigenschaften ausgerichtet. Dies wird anhand der in FIG 3 in einer Detaildarstellung exemplarisch dargestellten Laufschaufel 6 erläutert. Alle diesbezüglichen Überlegungen lassen sich aber auch problemlos auf die Leitschaufeln 8 der Dampfturbine 2 übertragen.
Die in FIG 3 schematisch dargestellte Turbinenschaufel 16, die als Laufschaufel 6 ausgeführt ist, weist eine an das Schaufelblatt 18 angeformte Deckplatte 20 auf, wobei der das Schaufelblatt 18 und die Deckplatte 20 umfassende Schaufelkörper zur Erreichung hoher mechanischer Stabilität und Temperaturbeständigkeit aus einem einkomponentigen Werkstück aus einer Nickelbasislegierung gefertigt ist. Die Deckplatte ist auf ihrer vom Schaufelblatt 18 abgewandten, sprich dem Turbinengehäuse 10 der Dampfturbine 2 zugewandten Seite mit einer durch Plasmaspritzen aufgebrachten Schutzschicht 28 aus Chromkarbid versehen. Der Schutzschicht 28 gegenüberliegend und durch einen Radialspalt 24 von dieser beabstandet ist ein aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetztes Dichtband 30 umfänglich an der Innenseite des Turbinengehäuses 10 angeordnet. Sollte das Dichtband 30 in Folge thermischer Ausdehnungsvorgänge innerhalb der Dampfturbine 2 vorübergehend an einer Stelle seines Umfangs mit einer der Deckplatten 20 bzw. mit dem von der Gesamtheit der Deckplatten 20 einer Schaufelreihe gebildeten Deckband 22 in Kontakt treten, so ist das Grundmaterial der jeweiligen Deckplatte 20 durch die Schutzschicht 28 vor Verschleiß geschützt. Durch die vergleichsweise große Härte der aus einem Hartstoff (hier im Ausführungsbeispiel Chromkarbid) gebildeten Schutzschicht 28 wird bei gegenseitiger Berührung gezielt und sicher in erster Linie das Dichtband 30 abgearbeitet, so dass dieses nicht in die eigentliche Deckplatte 20 bzw. die Deckbandoberfläche eindringen kann.
Die Turbinenschaufel 16 aus FIG 4, die als Laufschaufel 6 oder als Leitschaufel 8 ausgeführt sein kann, ist ähnlich aufgebaut wie die aus FIG 3 bekannte Turbinenschaufel, wobei allerdings auf die Schutzschicht 28 eine zusätzliche abrasive Schicht 32 aufgebracht ist. Der Radialspalt 24 zwischen dem zweifach beschichteten Deckband 22 und dem ihm gegenüberliegenden Dichtband 30 ist dabei so gering ausgelegt, dass sich während des Betriebs der Dampfturbine 2 die in FIG 4 gezeigte Konfiguration einstellt, bei der sich das Dichtband 30 zwar bereits in die abrasive Schicht 32 eingeschliffen hat, jedoch im Allgemeinen nicht mit der darunter liegenden Hartstoff-Schutzschicht 28 in Kontakt tritt. Dadurch wird einerseits eine besonders gute Abdichtung des Strömungskanals 12 erreicht, wobei andererseits durch die günstig gewählten Eigenschaften der abrasiven Schicht 32 keine nennenswerten Reibungsverluste auftreten. Die aus einem Hartstoff gefertigte Schutzschicht 28 schützt das Deckband 22 nach wie vor im Fall größerer Fluktuationen des Spaltabstandes und stellt dabei akzeptable Notlaufeigenschaften sicher.
Bei der in FIG 5 dargestellten Leitschaufel 8 weist die Deckplatte 20 bzw. das von allen Deckplatten 20 der Leitschaufelreihe gebildete Deckband 22 eine an eine Stufung der gegenüberliegenden Turbinenwelle 4 angepasste Stufung auf, so dass sich dazwischen ein labyrinthisch gewinkelter Teilkanal 34 des Strömungskanals 12 ausbildet. Der Teilkanal 34 wird durch die umfänglich an der Turbinenwelle 4 angeordneten Dichtbänder 30 abgedichtet, wobei jeweils ein während des Betriebs der Dampfturbine 2 in seiner Breite fluktuierender Radialspalt 24 verbleibt. Um im Falle eines Anstreifens besonders günstige Notlaufeigenschaften bereitzustellen, ist die aus einem hochwarmfesten Material gefertigte Deckplatte 20 bzw. das Deckband 22 wie in den vorigen Beispielen mit einer hinsichtlich ihrer Reibungs- und Verschleißeigenschaften auf das Dichtbandmaterial abgestimmten Schutzschicht 28 aus einem Alternativmaterial überzogen. Die Schutzschicht 28 könnte wieder aus einem Hartstoff hergestellt sein. Im vorliegenden Fall handelt es sich jedoch um eine auf jede der die Stufen bildenden Teilflächen durch Auftragschweißen aufgebrachte Stellitschicht mit einer Dicke von ursprünglich ungefähr 1,0 mm, die jedoch durch Nachbearbeitung geringfügig abgenommen hat.
Es versteht sich für den Fachmann, dass die anhand der Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele in vielfältiger Weise abgewandelt werden können, ohne dabei das für die Erfindung wesentliche Konzept aufzugeben. So könnte beispielsweise eine Stufung auch bei einem Laufschaufeldeckband vorgesehen sein, oder die Stufung könnte eine von FIG 5 abweichende Kontur aufweisen. Schließlich könnten auch mehrere in axialer Richtung der Dampfturbine 2 beabstandete Dichtringe oder Dichtbänder 30 zu einer Gruppe von Dichtbändern 30 zusammengefasst sein, die dem jeweiligen Deckband 22 gegenüberliegen und somit eine mehrfache Abdichtung realisieren.

Claims

Turbinenschaufel (16) mit einer an das Schaufelblatt (18) angeformten Deckplatte (20), insbesondere zur Verwendung in einer Dampfturbine (2), wobei auf die vom Schaufelblatt (18) abgewandte Oberfläche der Deckplatte (20) eine Schutzschicht (28) aus einem Alternativmaterial aufgebracht ist.
Turbinenschaufel (16) nach Anspruch 1, wobei der das Schaufelblatt (18) und die Deckplatte (20) umfassende Schaufelkörper aus einem einkomponentigen Werkstück gefertigt ist.
Turbinenschaufel (16) nach Anspruch 1 oder 2, deren Deckplatte (20) aus einer Nickelbasislegierung oder einer Kobaltbasislegierung hergestellt ist.
Turbinenschaufel (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Schutzschicht (28) durch eine Panzerlegierung auf Kobalt-Basis gebildet ist.
Turbinenschaufel (16) nach Anspruch 4, bei der die Panzerlegierung maximal 3 % Nickel, maximal 3 % Eisen, ungefähr 1,1 % bis 1,2 % Kohlenstoff, ungefähr 28 % Chrom, ungefähr 1,0 % bis 1,1 % Mangan, ungefähr 1,0 % bis 1,1 % Silizium und 4,5 % Wolfram umfasst.
Turbinenschaufel (16) nach Anspruch 5, bei der die Schutzschicht (28) durch Auftragschweißen auf die Deckplatte (20) aufgebracht ist.
Turbinenschaufel (16) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der das jeweilige Stahlblech (36) eine Dicke von ungefähr einem Millimeter oder mehr aufweist.
Turbinenschaufel (16) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der das jeweilige Stahlblech (36), insbesondere durch Verschweißen, stoffschlüssig mit der Deckplatte (20) verbunden ist.
Turbinenschaufel (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der als Schutzschicht (28) eine Hartstoffschicht vorgesehen ist.
Turbinenschaufel (16) nach Anspruch 9, bei der die Hartstoffschicht aus einem metallischen Hartstoff hergestellt ist.
Turbinenschaufel (16) nach Anspruch 10, bei der als Hartstoff Chromkarbid oder Titannitrid oder Bornitrid vorgesehen ist.
Turbinenschaufel (16) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Hartstoffschicht durch Plasmaspritzen oder durch ein PVD-Verfahren auf die Deckplatte (20) aufgebracht ist.
Turbinenschaufel (16) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der auf die Hartstoffschicht eine abrasive Schicht (32) aufgebracht ist.
Dampfturbine (2) mit einer Anzahl von jeweils zu Schaufelreihen zusammengefassten Turbinenschaufeln (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Dampfturbine (2) nach Anspruch 14, bei der die Deckplatten (20) der einer Schaufelreihe zugeordneten Turbinenschaufeln (16) jeweils derart geformt und in Relation zueinander derart angeordnet sind, dass sie ein umlaufendes Deckband (22) ausbilden.
Dampfturbine (2) nach Anspruch 15, wobei die Schaufelreihe eine Laufschaufelreihe ist.
Dampfturbine (2) nach Anspruch 16, wobei der beschichteten Oberfläche des Deckbandes (22) gegenüberliegend eine Anzahl von umfänglich an der Innenseite des Turbinengehäuses (10) angeordneten Dichtbändern (22) und/oder Dichtrippen vorgesehen ist.
Dampfturbine (2) nach Anspruch 17, wobei die Schaufelreihe eine Leitschaufelreihe ist.
Dampfturbine (2) nach Anspruch 18, wobei der beschichteten Oberfläche des Deckbandes (22) gegenüberliegend eine Anzahl von umfänglich an der Turbinenwelle (4) angeordneten Dichtbändern (22) und/oder Dichtrippen vorgesehen ist.
Dampfturbine (2) nach Anspruch 17 oder 19, bei der ein Dichtband (22) eine Anzahl von ringabschnittsförmig gebogenen Metallstreifen umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Dampfturbine mit einer Anzahl von jeweils zu Schaufelreihen zusammengefassten Turbinenschaufeln (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Deckplatten (20) der einer Schaufelreihe zugeordneten Turbinenschaufeln (16) jeweils derart geformt und in Relation zueinander derart angeordnet sind, dass sie ein umlaufendes Deckband (22) ausbilden, wobei die Schutzschicht (28) erst nach der Montage der Turbinenschaufeln (16) an der Turbinenwelle (4) oder am Turbinengehäuse (10) auf das Deckband (22) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Schutzschicht (28) jeweils in einer Anzahl von Fertigungsschritten auf einen von einer Mehrzahl von Deckplatten (20) gebildeten, zusammenhängenden Abschnitt des Deckbandes (22) aufgebracht wird, wobei in jedem Fertigungsschritt jeweils der gesamten Abschnitt bearbeitet oder behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem durch Auftragschweißen eine Panzerlegierung auf Kobalt-Basis aufgebracht wird.