EP1775422A1 - Flow channel device and coating method for a flow channel device - Google Patents

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EP1775422A1
EP1775422A1 EP05022604A EP05022604A EP1775422A1 EP 1775422 A1 EP1775422 A1 EP 1775422A1 EP 05022604 A EP05022604 A EP 05022604A EP 05022604 A EP05022604 A EP 05022604A EP 1775422 A1 EP1775422 A1 EP 1775422A1
Authority
EP
European Patent Office
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flow channel
channel device
protective layer
vapor deposition
blade
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05022604A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Albert Dr. Schrey
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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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Priority to PCT/EP2006/067095 priority patent/WO2007045562A1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition
    • F05D2230/313—Layer deposition by physical vapour deposition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/90—Coating; Surface treatment

Definitions

  • the invention relates to a flow channel device for arrangement in a fluid channel of a thermal power plant, in particular a steam power plant with a protective layer extending over at least a portion of the surface of the fluid channel device.
  • the invention further relates to a method for coating a flow channel device for arrangement in a fluid channel of a thermal power plant, in particular a steam power plant, with the steps of providing a flow channel device, and applying a protective layer on at least a portion of the flow channel device.
  • a flow channel device of the type mentioned above may comprise a turbine blade and / or a turbine guide ring.
  • Turbines, especially steam turbines of modern design are operated with high inlet temperatures having fluids. Therefore, flow channel devices disposed in the fluid channel are fabricated using appropriate heat resistant steels. However, the oxidation resistance of these steels is not particularly adapted to the high inlet temperatures.
  • turbines of thermal power plants in particular steam turbines, a significant entry of oxidation products can take place from the boiler, which has an abrasive effect, above all in the inflow regions and first rows of blades. Resultant oxidation and erosion of the flow channel means located in the inflow region, such as turbine blades and vanes, reduce the performance and efficiency of the turbine.
  • An object of the invention is to improve a flow channel device of the type mentioned and a method of the type mentioned in that the structural strength of the same is not affected to a significant extent by the protective layer on the surface of the flow channel device.
  • This object is achieved according to the invention with a generic flow channel device, wherein the protective layer is applied by means of a vapor deposition method. Furthermore, the object is achieved by a generic method in which the application of the protective layer by means of vapor deposition takes place.
  • Such a vapor deposition method may e.g. physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) or a combination thereof. These are each vacuum processes in which the coating material is separated from the gas phase by predominantly physical or chemical processes.
  • the protective layer produced by this method on the flow channel device is characterized by high hardness and oxidation resistance. The base materials of the flow channel device are not affected and thus the structural integrity of the flow channel device is not appreciably affected by the deposition process.
  • the protective layer obtained in accordance with the invention Due to the high hardness and oxidation resistance of the protective layer obtained in accordance with the invention, it is outstandingly suitable as erosion protection layer with respect to fluids flowing in the inflow region of turbines of thermal power plants, in particular steam turbines, with a high proportion of oxidation products.
  • the vapor deposition method according to the invention it is also possible to obtain uniform layer thicknesses on the surface of the flow channel device produce.
  • the method according to the invention is inexpensive and cost-effective in comparison to methods previously used in the prior art.
  • the flow channel device has a turbine blade, in particular a guide blade and / or a blade, whose surface (s) is / are at least partially covered by the protective layer.
  • Turbines for thermal power plants in particular steam turbines, have essentially two types of turbine blades, namely stationary vanes and rotor blades rotating with the turbine shaft.
  • the fixed or static vanes serve to direct the flow medium, such as steam, in a flow-optimized manner onto the rotating blades. This results in a significant mechanical interaction between on the one hand the vanes and the blades and on the other hand flowing through the fluid passage of the turbine fluid, in particular turbine steam.
  • Guide vanes and moving blades located in the inflow region of the turbine are therefore particularly exposed to the oxidation products in the inflow medium and therefore benefit in a particular way from the protective layer applied according to the invention.
  • At least one blade portion of the turbine blade is covered by the protective layer.
  • the turbine blades have a foot region, an adjoining leaf region and a cover plate region. All surfaces coming into contact with the flow medium should therefore be covered with the protective layer according to the invention. This extends in particular over the leaf area but also over the transitions from leaf area to cover sheet and the blade root.
  • the flow channel device has a guide ring whose surface is at least partially covered by the protective layer.
  • the first guide row of the turbine may be a so-called guide ring, through which the flow medium coming from the boiler flows into the interior of the turbine.
  • the influence of the oxidation products from the boiler is therefore particularly high on the surfaces of the guide ring which are flown by the flow medium.
  • the guide ring has a guide grid with leaf elements, wherein at least the leaf elements are covered with the protective layer.
  • This guide grid is arranged in such guide rings usually between an inner ring and a turbine housing attached to the outer ring of the guide ring.
  • the leaf elements are arranged on both sides with respect to the guide ring lamellar in tangential orientation. Flow medium flowing in from radially outward is deflected by the blade elements to the one in the axial direction of the guide ring. On the other hand, the flow medium also receives a tangential direction component when flowing through the leaf elements. Since the guide lattice having the leaf elements opposes a considerable flow resistance with respect to the inflowing fluid, the coating of the leaf elements with the protective layer according to the invention is particularly advantageous.
  • the gas separation process comprises physical vapor deposition (PVD) and / or chemical vapor deposition (CVD), in particular plasma CVD.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • at least part of the material to be deposited is in solid form.
  • the process takes place in a vacuum chamber at negative pressure. Typical working pressures are in the range of 10 -4 Pa to about 10 Pa.
  • the following PVD methods are possible: sputtering, low-voltage arc evaporation (Arc Ion Plating-AIP), electron beam evaporation (E-beam), and ion plating.
  • CVD chemical vapor deposition
  • a solid component is deposited on the heated surface of a substrate due to a chemical reaction from the gas phase.
  • a particularly advantageous property of the CVD method is the high scattering power of the method.
  • the CVD process makes it possible in a special way to coat surfaces that have a complex three-dimensional shape. For example, the finest depressions in a basic body can be uniformly coated. Translated to the coating of turbine blades and vanes, this means that a substantially continuous coating of the surface in question can be achieved, whereby a high durability and robustness of the coating is obtained.
  • Plasma-enhanced CVD can reduce the temperature load on the substrate. In this case, a plasma is ignited above the substrate. The gases introduced are excited in this plasma, thereby reducing the reaction energy and the temperature can be kept lower.
  • the protective layer contains Cr and / or Ti.
  • the protective layer contains CrN, CrAlN, TiN, TiAlN and / or TiB 2 .
  • the protective layer comprises CrN and / or TiAlN applied by means of the PVD method Arc Iron Plating (AIP) and / or titanium boride applied by means of plasma CVD.
  • AIP Arc Iron Plating
  • TiAlN applied by means of the PVD method Arc Iron Plating
  • TiAlN applied by means of the PVD method Arc Iron Plating (AIP)
  • TiAlN applied by means of plasma CVD.
  • the method according to the invention is advantageously characterized in that the flow channel device has a turbine blade and / or a guide ring on whose surface (s) at least partially the protective layer is applied.
  • the gas deposition method comprises physical vapor deposition (PVD) and / or chemical vapor deposition (CVD), in particular plasma CVD.
  • a turbine blade 10 according to the invention is shown. This is designed as a static guide vane. It should be noted at this point that the invention is not limited to vanes but also includes rotating blades with the turbine shaft.
  • the turbine blade 10 has at its lower end a blade root 12 for anchoring in the associated turbine shaft.
  • the blade root 12 is formed in the illustrated case as a double hammer head.
  • a blade portion of the turbine blade 10 connects, which opens at its upper end in a cover plate 16.
  • the cover plate 16 interconnects a plurality of turbine blades at their outer ends. This can be the connection be designed integrally or be designed by means of releasable connection means, such as rivets. It should be noted at this point that the invention also turbine blades are included, which are designed in terms of their mutual head-side linkage alternatively. Thus, the invention also includes, for example, free-standing turbine blades or turbine blades with shroud and turbine blades configured as nozzle segments, etc. The area marked with a broken line in FIG. 1 is provided with a protective layer 18 applied by means of a vapor deposition method.
  • the protective layer 18 extends over the entire blade area 14, in a transition 20 of the blade portion 14 to the blade root 12 and in a transition 22 of the blade portion 14 to the cover plate 16.
  • the entire surface of the turbine blade 10, with the in the turbine inflowing steam comes into contact with the protective layer 18 covered.
  • the protective layer 18 was applied to the designated area of the turbine blade 10 by a physical vapor deposition (PVD) or a chemical vapor deposition (CVD) process, in particular by plasma CVD.
  • PVD process in particular cathode sputtering (sputtering), low voltage arc evaporation (AIP), electron beam evaporation (e-beam) and Ionenplatieren come into question.
  • chromium-based hard materials such as chromium nitride, chromium aluminum nitride and titanium-based materials such as titanium nitride, titanium aluminum nitride and titanium boride may be used.
  • an inventive guide ring 24 is shown.
  • Such a guide ring 24 is usually located in the first guide row of a steam turbine and thus in direct contact with the incoming steam.
  • the guide ring 24 has an inner ring 26, in whose inner region the turbine shaft of the steam turbine extends.
  • the guide ring 24 has an outer ring 28, which in turn has the sections 28a and 28b.
  • the two sections 28a and 28b are included arranged on the axially outer sides of the guide ring 24.
  • a guide grid 30 is arranged in each case.
  • This guide grid 30 extends in each case along the entire circumference of the guide ring 24.
  • the guide grid 30 each have a plurality of blade-like arranged leaf elements 32, which deflect the incoming turbine steam in a suitable manner.
  • the fresh steam flowing into the turbine initially has the vapor flow direction 34 pointing radially inward with respect to the guide ring 24.
  • the steam emerging on both sides from the guide ring 24 thus has the vapor discharge directions 36 indicated in FIG. 2.
  • the turbine steam is directed to a subsequent blade row in a flow dynamic optimal manner.
  • the region of the guide ring 24 marked with a broken line in FIG. 2 is covered with the protective layer 38, which has already been explained in greater detail above, applied by means of a vapor deposition method.
  • the protective layer 38 thus extends over the entire guide grid 30 as well as adjacent areas of the inner ring 26 and the outer ring 28.

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Abstract

Flow channel (10) has a protective layer (18), which is applied by means of a gaseous phase separation procedure. The turbine blade e.g. a guide blade or a rotor blade surface is coated at least partly by the protective layer. The blade area (14) of the turbine blade is coated by the protective layer. An independent claim is also included for the coating method.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungskanaleinrichtung zur Anordnung in einem Strömungsmittelkanal eines thermischen Kraftwerks, insbesondere eines Dampfkraftwerks mit einer sich mindestens über einen Teilbereich der Oberfläche der Strömungsmittelkanaleinrichtung erstreckenden Schutzschicht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Beschichten einer Strömungskanaleinrichtung zur Anordnung in einem Strömungsmittelkanal eines thermischen Kraftwerks, insbesondere eines Dampfkraftwerks, mit den Schritten eines Bereitstellens einer Strömungskanaleinrichtung, sowie eines Aufbringens einer Schutzschicht auf zumindest einen Teilbereich der Strömungskanaleinrichtung.The invention relates to a flow channel device for arrangement in a fluid channel of a thermal power plant, in particular a steam power plant with a protective layer extending over at least a portion of the surface of the fluid channel device. The invention further relates to a method for coating a flow channel device for arrangement in a fluid channel of a thermal power plant, in particular a steam power plant, with the steps of providing a flow channel device, and applying a protective layer on at least a portion of the flow channel device.

Eine Strömungskanaleinrichtung der oben genannten Art kann eine Turbinenschaufel und/oder einen Turbinenleitring umfassen. Turbinen, insbesondere Dampfturbinen moderner Bauart werden mit hohe Eintrittstemperaturen aufweisenden Strömungsmitteln betrieben. Daher werden im Strömungsmittelkanal angeordnete Strömungskanaleinrichtungen unter Verwendung entsprechender warmfester Stähle gefertigt. Die Oxidationsbeständigkeit dieser Stähle ist den hohen Eintrittstemperaturen jedoch nicht in besonderer Weise angepasst. Bei Turbinen thermischer Kraftwerke, insbesondere Dampfturbinen kann ein erheblicher Eintrag von Oxidationsprodukten aus dem Kessel erfolgen, der vor allem in den Einströmbereichen und ersten Schaufelreihen abrasiv wirkt. Sich daraus ergebende Oxidation und Erosion der im Einströmbereich angeordneten Strömungskanaleinrichtungen, wie etwa Turbinenschaufeln und Leitringe mindern die Funktion und den Wirkungsgrad der Turbine.A flow channel device of the type mentioned above may comprise a turbine blade and / or a turbine guide ring. Turbines, especially steam turbines of modern design are operated with high inlet temperatures having fluids. Therefore, flow channel devices disposed in the fluid channel are fabricated using appropriate heat resistant steels. However, the oxidation resistance of these steels is not particularly adapted to the high inlet temperatures. In turbines of thermal power plants, in particular steam turbines, a significant entry of oxidation products can take place from the boiler, which has an abrasive effect, above all in the inflow regions and first rows of blades. Resultant oxidation and erosion of the flow channel means located in the inflow region, such as turbine blades and vanes, reduce the performance and efficiency of the turbine.

Im Stand der Technik werden daher derartige Strömungskanaleinrichtungen durch thermisches Spritzen von chromkarbidlegierten Schichten, Borieren und/oder Nitrieren vorbehandelt. Durch diese Vorbehandlungen der entsprechenden Strömungskanaleinrichtung wird jedoch die Gestaltfestigkeit derselben beeinträchtigt.In the prior art, therefore, such flow channel devices are pretreated by thermal spraying of chromium carbide-alloyed layers, boriding and / or nitriding. Through these pretreatments of the corresponding flow channel device However, the structural strength of the same is impaired.

Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Strömungskanaleinrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass durch die Schutzschicht auf der Oberfläche der Strömungskanaleinrichtung die Gestaltfestigkeit derselben nicht in erheblichem Maße beeinträchtigt wird.An object of the invention is to improve a flow channel device of the type mentioned and a method of the type mentioned in that the structural strength of the same is not affected to a significant extent by the protective layer on the surface of the flow channel device.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Strömungskanaleinrichtung gelöst, bei der die Schutzschicht mittels eines Gasphasenabscheidungsverfahrens aufgebracht ist. Ferner ist die Aufgabe mit einem gattungsgemäßen Verfahren gelöst, bei dem das Aufbringen der Schutzschicht mittels Gasphasenabscheidung erfolgt.This object is achieved according to the invention with a generic flow channel device, wherein the protective layer is applied by means of a vapor deposition method. Furthermore, the object is achieved by a generic method in which the application of the protective layer by means of vapor deposition takes place.

Ein solches Gasphasenabscheidungsverfahren kann z.B. physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder eine Kombination derselben umfassen. Dabei handelt es sich jeweils um Vakuumprozesse, bei denen der Schichtwerkstoff aus der Gasphase durch vorwiegend physikalische oder chemische Vorgänge abgeschieden wird. Die mit diesem Verfahren auf der Strömungskanaleinrichtung erzeugte Schutzschicht zeichnet sich durch große Härte und Oxidationsbeständigkeit aus. Die Grundwerkstoffe der Strömungskanaleinrichtung werden nicht beeinflusst und damit wird die Gestaltfestigkeit der Strömungskanaleinrichtung durch das Abscheidungsverfahren nicht nennenswert beeinträchtigt.Such a vapor deposition method may e.g. physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) or a combination thereof. These are each vacuum processes in which the coating material is separated from the gas phase by predominantly physical or chemical processes. The protective layer produced by this method on the flow channel device is characterized by high hardness and oxidation resistance. The base materials of the flow channel device are not affected and thus the structural integrity of the flow channel device is not appreciably affected by the deposition process.

Aufgrund der großen Härte und Oxidationsbeständigkeit der erfindungsgemäß erlangten Schutzschicht eignet sich diese hervorragend als Erosionsschutzschicht gegenüber im Einströmbereich von Turbinen thermischer Kraftwerke, insbesondere Dampfturbinen einströmenden Strömungsmitteln mit hohem Anteil an Oxidationsprodukten. Durch das erfindungsgemäße Gasphasenabscheidungsverfahren lassen sich weiterhin gleichmäßige Schichtdicken auf der Oberfläche der Strömungskanaleinrichtung erzeugen. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber bisher im Stand der Technik verwendeten Verfahren in Bezug auf die Prozessführung unaufwendig und damit kosteneffizient.Due to the high hardness and oxidation resistance of the protective layer obtained in accordance with the invention, it is outstandingly suitable as erosion protection layer with respect to fluids flowing in the inflow region of turbines of thermal power plants, in particular steam turbines, with a high proportion of oxidation products. By means of the vapor deposition method according to the invention, it is also possible to obtain uniform layer thicknesses on the surface of the flow channel device produce. In addition, the method according to the invention is inexpensive and cost-effective in comparison to methods previously used in the prior art.

In vorteilhafter Ausführungsform weist die Strömungskanaleinrichtung eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Leitschaufel und/oder eine Laufschaufel auf, deren Oberfläche(n) zumindest teilweise von der Schutzschicht bedeckt ist/sind. Turbinen für thermische Kraftwerke, insbesondere Dampfturbinen weisen im Wesentlichen zwei Typen von Turbinenschaufeln, nämlich feststehende Leitschaufeln und sich mit der Turbinenwelle drehende Laufschaufeln auf. Die feststehenden oder statischen Leitschaufeln dienen dazu, das Strömungsmedium, wie etwa Dampf in strömungsoptimaler Weise auf die sich drehenden Laufschaufeln zu lenken. Damit erfolgt eine erhebliche mechanische Wechselwirkung zwischen einerseits den Leitschaufeln und den Laufschaufeln und andererseits dem durch den Strömungsmittelkanal der Turbine strömenden Strömungsmittel, insbesondere Turbinendampf. Insbesondere im Einströmbereich der Turbine befindliche Leitschaufeln und Laufschaufeln sind daher besonders stark den Oxidationsprodukten im Einströmmedium ausgesetzt und profitieren daher in besonderer Weise von der erfindungsgemäß aufgebrachten Schutzschicht.In an advantageous embodiment, the flow channel device has a turbine blade, in particular a guide blade and / or a blade, whose surface (s) is / are at least partially covered by the protective layer. Turbines for thermal power plants, in particular steam turbines, have essentially two types of turbine blades, namely stationary vanes and rotor blades rotating with the turbine shaft. The fixed or static vanes serve to direct the flow medium, such as steam, in a flow-optimized manner onto the rotating blades. This results in a significant mechanical interaction between on the one hand the vanes and the blades and on the other hand flowing through the fluid passage of the turbine fluid, in particular turbine steam. Guide vanes and moving blades located in the inflow region of the turbine are therefore particularly exposed to the oxidation products in the inflow medium and therefore benefit in a particular way from the protective layer applied according to the invention.

Zweckmäßigerweise ist zumindest ein Blattbereich der Turbinenschaufel von der Schutzschicht bedeckt. Die Turbinenschaufeln weisen in der Regel einen Fußbereich, einen sich daran anschließenden Blattbereich sowie einen Deckplattenbereich auf. Alle mit dem Strömungsmedium in Kontakt kommenden Oberflächen sollten daher mit der erfindungsgemäßen Schutzschicht bedeckt sein. Diese erstreckt sich damit insbesondere über den Blattbereich aber auch über die Übergänge von Blattbereich zur Deckblatte und zum Schaufelfuß.Conveniently, at least one blade portion of the turbine blade is covered by the protective layer. As a rule, the turbine blades have a foot region, an adjoining leaf region and a cover plate region. All surfaces coming into contact with the flow medium should therefore be covered with the protective layer according to the invention. This extends in particular over the leaf area but also over the transitions from leaf area to cover sheet and the blade root.

In zweckmäßiger Ausführungsform weist die Strömungskanaleinrichtung einen Leitring auf, dessen Oberfläche zumindest teilweise von der Schutzschicht bedeckt ist. In der aller ersten Leitreihe der Turbine kann sich ein so genannter Leitring befinden, durch den das aus dem Kessel kommende Strömungsmedium in das Innere der Turbine einströmt. Der Einfluss der Oxidationsprodukte aus dem Kessel ist damit auf die vom Strömungsmedium angeströmten Oberflächen des Leitrings besonders hoch.In an expedient embodiment, the flow channel device has a guide ring whose surface is at least partially covered by the protective layer. In the all The first guide row of the turbine may be a so-called guide ring, through which the flow medium coming from the boiler flows into the interior of the turbine. The influence of the oxidation products from the boiler is therefore particularly high on the surfaces of the guide ring which are flown by the flow medium.

In vorteilhafter Ausführungsform weist der Leitring ein Leitgitter mit Blattelementen auf, wobei zumindest die Blattelemente mit der Schutzschicht bedeckt sind. Dieses Leitgitter ist bei derartigen Leitringen in der Regel zwischen einem Innenring und einem am Turbinengehäuse befestigten Außenring des Leitrings angeordnet. Die Blattelemente sind dabei beidseitig bezüglich des Leitrings lamellenartig in tangentialer Ausrichtung angeordnet. Von radial außen her einströmendes Strömungsmedium wird durch die Blattelemente zum einen in die axiale Richtung des Leitrings abgelenkt. Zum anderen erhält das Strömungsmedium bei Durchströmung der Blattelemente auch eine tangentiale Richtungskomponente. Da das die Blattelemente aufweisende Leitgitter gegenüber dem einströmenden Strömungsmittel einen erheblichen Strömungswiderstand entgegensetzt, ist die Beschichtung der Blattelemente mit der erfindungsgemäßen Schutzschicht besonders vorteilhaft.In an advantageous embodiment, the guide ring has a guide grid with leaf elements, wherein at least the leaf elements are covered with the protective layer. This guide grid is arranged in such guide rings usually between an inner ring and a turbine housing attached to the outer ring of the guide ring. The leaf elements are arranged on both sides with respect to the guide ring lamellar in tangential orientation. Flow medium flowing in from radially outward is deflected by the blade elements to the one in the axial direction of the guide ring. On the other hand, the flow medium also receives a tangential direction component when flowing through the leaf elements. Since the guide lattice having the leaf elements opposes a considerable flow resistance with respect to the inflowing fluid, the coating of the leaf elements with the protective layer according to the invention is particularly advantageous.

Vorteilhafterweise umfasst das Gasabscheidungsverfahren physikalische Gasphasenabscheidungen (PVD) und/oder chemische Gasphasenabscheidungen (CVD), insbesondere Plasma-CVD. Bei der PVD (Physical Vapor Deposition) liegt mindestens ein Teil des Materials, das abgeschieden werden soll, in fester Form vor. Das Verfahren findet in einer Vakuumkammer bei Unterdruck statt. Typische Arbeitsdrucke liegen im Bereich von 10-4 Pa bis ca. 10 Pa. Erfindungsgemäß kommen folgende PVD-Verfahren in Frage: Kathodenzerstäuben (Sputtern), Niederspannungslichtbogenverdampfung (Arc Ion Plating - AIP), Elektronenstrahlverdampfen (E-Beam), sowie Ionenplatieren. Beim CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) wird an der erhitzten Oberfläche eines Substrats aufgrund einer chemischen Reaktion aus der Gasphase eine Feststoffkomponente abgeschieden. Eine besonders vorteilhafte Eigenschaft des CVD-Verfahrens ist die hohe Streukraft des Verfahrens. Damit ermöglicht das CVD-Verfahren auf besondere Weise die Beschichtung von komplex dreidimensional geformten Oberflächen. So können z.B. feinste Vertiefungen in einem Grundkörper gleichmäßig beschichtet werden. Übertragen auf die Beschichtung von Turbinenschaufeln und Leitringen bedeutet dies, dass eine im Wesentlichen lückenlose Beschichtung der betreffenden Oberfläche erzielt werden kann, wodurch eine hohe Beständigkeit und Robustheit der Beschichtung erlangt wird. Durch das plasmaunterstützte CVD bzw. Plasma-CVD (PECVD: Plasma Enhanced CVD) kann die Temperaturbelastung des Substrats reduziert werden. Dabei wird oberhalb des Substrats ein Plasma gezündet. Die eingeleiteten Gase werden in diesem Plasma angeregt, dadurch reduziert sich die Reaktionsenergie und die Temperatur kann dadurch niedriger gehalten werden.Advantageously, the gas separation process comprises physical vapor deposition (PVD) and / or chemical vapor deposition (CVD), in particular plasma CVD. In PVD (Physical Vapor Deposition), at least part of the material to be deposited is in solid form. The process takes place in a vacuum chamber at negative pressure. Typical working pressures are in the range of 10 -4 Pa to about 10 Pa. According to the invention, the following PVD methods are possible: sputtering, low-voltage arc evaporation (Arc Ion Plating-AIP), electron beam evaporation (E-beam), and ion plating. In the chemical vapor deposition (CVD) process, a solid component is deposited on the heated surface of a substrate due to a chemical reaction from the gas phase. A A particularly advantageous property of the CVD method is the high scattering power of the method. In this way, the CVD process makes it possible in a special way to coat surfaces that have a complex three-dimensional shape. For example, the finest depressions in a basic body can be uniformly coated. Translated to the coating of turbine blades and vanes, this means that a substantially continuous coating of the surface in question can be achieved, whereby a high durability and robustness of the coating is obtained. Plasma-enhanced CVD (Plasma Enhanced CVD) can reduce the temperature load on the substrate. In this case, a plasma is ignited above the substrate. The gases introduced are excited in this plasma, thereby reducing the reaction energy and the temperature can be kept lower.

Um eine hohe Oberflächenfestigkeit der Schutzschicht zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Schutzschicht Cr und/oder Ti enthält. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Schutzschicht CrN, CrAlN, TiN, TiAlN und/oder TiB2 enthält. Durch das erfindungsgemäße Gasphasenabscheidungsverfahren lassen sich diese Werkstoffe auf die Strömungskanaleinrichtung aufbringen, wodurch die Abrasionsbeständigkeit der Strömungskanaleinrichtung entsprechend verbessert wird.In order to achieve a high surface strength of the protective layer, it is advantageous if the protective layer contains Cr and / or Ti. In particular, it is expedient if the protective layer contains CrN, CrAlN, TiN, TiAlN and / or TiB 2 . By means of the vapor deposition method according to the invention, these materials can be applied to the flow channel device, whereby the abrasion resistance of the flow channel device is correspondingly improved.

In weiterhin vorteilhafter Ausführungsform weist die Schutzschicht mittels des PVD-Verfahrens Arc Iron Plating (AIP) aufgebrachtes CrN und/oder TiAlN und/oder mittels Plasma-CVD aufgebrachtes Titanborid auf. Die derart hergestellten Schutzschichten zeichnen sich durch besondere Oxidationsbeständigkeit und Oberflächenhärte aus.In a further advantageous embodiment, the protective layer comprises CrN and / or TiAlN applied by means of the PVD method Arc Iron Plating (AIP) and / or titanium boride applied by means of plasma CVD. The protective layers produced in this way are distinguished by particular oxidation resistance and surface hardness.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanaleinrichtung eine Turbinenschaufel und/oder einen Leitring aufweist, auf deren/dessen Oberfläche(n) zumindest teilweise die Schutzschicht aufgebracht wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Gasabscheidungsverfahren physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und/oder chemische Gasphasenabscheidungen (CVD), insbesondere Plasma-CVD. Im Hinblick auf die Vorteile der vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen bezüglich der entsprechenden Ausführungsformen der Strömungskanaleinrichtung verwiesen. Darüber hinaus sollen weitere bezüglich der erfindungsgemäßen Strömungskanaleinrichtung aufgeführte vorteilhafte Ausführungsformen analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden.The method according to the invention is advantageously characterized in that the flow channel device has a turbine blade and / or a guide ring on whose surface (s) at least partially the protective layer is applied. In a further advantageous Embodiment, the gas deposition method comprises physical vapor deposition (PVD) and / or chemical vapor deposition (CVD), in particular plasma CVD. With regard to the advantages of the advantageous embodiments of the method according to the invention, reference is made to the above statements regarding the corresponding embodiments of the flow channel device. In addition, other advantageous embodiments mentioned with regard to the flow channel device according to the invention are to be transferred analogously to the method according to the invention.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Strömungskanaleinrichtung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1
eine perspektivische Ansicht einer als Turbinenschaufel ausgebildeten Strömungskanaleinrichtung mit einer im Blattbereich der Turbinenschaufel aufgebrachten Schutzschicht, sowie
Fig. 2
eine perspektivische Ansicht einer als Leitring ausgeführten Strömungskanaleinrichtung mit einer im Leitgitterbereich vorgesehenen Schutzschicht.
Two exemplary embodiments of a flow channel device according to the invention will be explained in more detail below with reference to the attached schematic drawings. It shows:
Fig. 1
a perspective view of a formed as a turbine blade flow channel device with an applied in the blade region of the turbine blade protective layer, and
Fig. 2
a perspective view of a designed as a guide ring flow channel device with a protective layer provided in the Leitgitterbereich.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel 10 gezeigt. Diese ist als statische Leitschaufel ausgebildet. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich die Erfindung nicht auf Leitschaufeln beschränkt sondern auch mit der Turbinenwelle sich mitdrehende Laufschaufeln umfasst. Die Turbinenschaufel 10 weist an ihrem unteren Ende einen Schaufelfuß 12 zur Verankerung in der zugehörigen Turbinenwelle auf. Der Schaufelfuß 12 ist in dem dargestellten Fall als doppelter Hammerkopf ausgebildet. An den Schaufelfuß 12 schließt sich ein Blattbereich der Turbinenschaufel 10 an, der an seinem oberen Ende in eine Deckplatte 16 mündet.In Fig. 1, a turbine blade 10 according to the invention is shown. This is designed as a static guide vane. It should be noted at this point that the invention is not limited to vanes but also includes rotating blades with the turbine shaft. The turbine blade 10 has at its lower end a blade root 12 for anchoring in the associated turbine shaft. The blade root 12 is formed in the illustrated case as a double hammer head. At the blade root 12, a blade portion of the turbine blade 10 connects, which opens at its upper end in a cover plate 16.

Die Deckplatte 16 verbindet mehrere Turbinenschaufeln an ihren äußeren Enden miteinander. Dabei kann die Verbindung integral ausgestaltet sein oder mittels lösbarer Verbindungsmittel, wie etwa Nieten gestaltet sein. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass von der Erfindung auch Turbinenschaufeln umfasst sind, die in Bezug auf ihre gegenseitige kopfseitige Verknüpfung alternativ gestaltet sind. So umfasst die Erfindung etwa auch freistehende Turbinenschaufeln oder Turbinenschaufeln mit Deckband und als Düsensegmente ausgestaltete Turbinenschaufeln, etc. Der in Fig. 1 mit einer unterbrochenen Linie kenntlich gemachte Bereich ist mit einer mittels eines Gasphasenabscheidungsverfahrens aufgebrachten Schutzschicht 18 versehen. Dabei erstreckt sich die Schutzschicht 18 über den gesamten Blattbereich 14, in einem Übergang 20 des Blattbereichs 14 zum Schaufelfuß 12 als auch in einem Übergang 22 des Blattbereichs 14 zur Deckplatte 16. Damit ist die gesamte Oberfläche der Turbinenschaufel 10, die mit dem in die Turbine einströmenden Dampf in Verbindung kommt, mit der Schutzschicht 18 bedeckt.The cover plate 16 interconnects a plurality of turbine blades at their outer ends. This can be the connection be designed integrally or be designed by means of releasable connection means, such as rivets. It should be noted at this point that the invention also turbine blades are included, which are designed in terms of their mutual head-side linkage alternatively. Thus, the invention also includes, for example, free-standing turbine blades or turbine blades with shroud and turbine blades configured as nozzle segments, etc. The area marked with a broken line in FIG. 1 is provided with a protective layer 18 applied by means of a vapor deposition method. In this case, the protective layer 18 extends over the entire blade area 14, in a transition 20 of the blade portion 14 to the blade root 12 and in a transition 22 of the blade portion 14 to the cover plate 16. Thus, the entire surface of the turbine blade 10, with the in the turbine inflowing steam comes into contact with the protective layer 18 covered.

Die Schutzschicht 18 wurde mittels eines physikalischen Gasabscheidungsverfahrens (PVD)oder eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (CVD), insbesondere mittels Plasma-CVD auf den bezeichneten Bereich der Turbinenschaufel 10 aufgebracht. Als PVD-Verfahren kommen insbesondere Kathodenzerstäuben (Sputtern), Niederspannungslichtbogenverdampfung (AIP), Elektronenstrahlverdampfen (E-Beam) sowie Ionenplatieren in Frage. Als Schichtwerkstoffe können Hartstoffe auf Chrombasis, wie etwa Chromnitrid, Chromaluminiumnitrid und Werkstoffe auf Titanbasis, wie etwa Titannitrid, Titanaluminiumnitrid sowie Titanborid verwendet werden.The protective layer 18 was applied to the designated area of the turbine blade 10 by a physical vapor deposition (PVD) or a chemical vapor deposition (CVD) process, in particular by plasma CVD. As PVD process in particular cathode sputtering (sputtering), low voltage arc evaporation (AIP), electron beam evaporation (e-beam) and Ionenplatieren come into question. As the coating materials, chromium-based hard materials such as chromium nitride, chromium aluminum nitride and titanium-based materials such as titanium nitride, titanium aluminum nitride and titanium boride may be used.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Leitring 24 dargestellt. Ein derartiger Leitring 24 befindet sich in der Regel in der ersten Leitreihe einer Dampfturbine und damit in direktem Kontakt mit dem einströmenden Dampf. Der Leitring 24 weist einen Innenring 26 auf, in dessen Innenbereich die Turbinenwelle der Dampfturbine verläuft. Weiterhin weist der Leitring 24 einen Außenring 28 auf, der wiederum die Abschnitte 28a und 28b aufweist. Die beiden Abschnitte 28a und 28b sind dabei an den axial äußeren Seiten des Leitrings 24 angeordnet. Zwischen den beiden Abschnitten 28a und 28b des Außenrings 28 und dem Innenring 26 des Leitrings 24 ist jeweils ein Leitgitter 30 angeordnet. Dieses Leitgitter 30 erstreckt sich jeweils entlang des gesamten Umfangs des Leitrings 24. Die Leitgitter 30 weisen jeweils eine Vielzahl von lamellenartig angeordneten Blattelementen 32 auf, die den einströmenden Turbinendampf in geeigneter Weise ablenken.In Fig. 2, an inventive guide ring 24 is shown. Such a guide ring 24 is usually located in the first guide row of a steam turbine and thus in direct contact with the incoming steam. The guide ring 24 has an inner ring 26, in whose inner region the turbine shaft of the steam turbine extends. Furthermore, the guide ring 24 has an outer ring 28, which in turn has the sections 28a and 28b. The two sections 28a and 28b are included arranged on the axially outer sides of the guide ring 24. Between the two sections 28a and 28b of the outer ring 28 and the inner ring 26 of the guide ring 24, a guide grid 30 is arranged in each case. This guide grid 30 extends in each case along the entire circumference of the guide ring 24. The guide grid 30 each have a plurality of blade-like arranged leaf elements 32, which deflect the incoming turbine steam in a suitable manner.

Der in die Turbine einströmende Frischdampf weist zunächst die in Bezug auf den Leitring 24 radial nach innen zeigende Dampfströmrichtung 34 auf. Durch den Durchtritt des Turbinendampfes durch die Leitgitter 30 erfährt dieser eine Ablenkung sowohl in axialer als auch tangentialer Richtung. Der an beiden Seiten aus dem Leitring 24 austretende Dampf weist damit die in Fig. 2 angezeigten Dampfabströmrichtungen 36 auf. Damit wird der Turbinendampf auf eine nachfolgende Laufschaufelreihe in strömungsdynamisch optimaler Weise gerichtet. Der in Fig. 2 mit unterbrochener Linie gekennzeichnete Bereich des Leitrings 24 ist mit der bereits vorstehend näher erläuterten mittels eines Gasphasenabscheidungsverfahrens aufgebrachten Schutzschicht 38 bedeckt. Die Schutzschicht 38 erstreckt sich damit über das gesamte Leitgitter 30 als auch angrenzende Bereiche des Innenrings 26 und den Außenrings 28.The fresh steam flowing into the turbine initially has the vapor flow direction 34 pointing radially inward with respect to the guide ring 24. Through the passage of the turbine steam through the guide vanes 30, this undergoes a deflection in both the axial and tangential direction. The steam emerging on both sides from the guide ring 24 thus has the vapor discharge directions 36 indicated in FIG. 2. Thus, the turbine steam is directed to a subsequent blade row in a flow dynamic optimal manner. The region of the guide ring 24 marked with a broken line in FIG. 2 is covered with the protective layer 38, which has already been explained in greater detail above, applied by means of a vapor deposition method. The protective layer 38 thus extends over the entire guide grid 30 as well as adjacent areas of the inner ring 26 and the outer ring 28.

Claims (11)

Strömungskanaleinrichtung (10, 24) zur Anordnung in einem Strömungsmittelkanal eines thermischen Kraftwerks, insbesondere eines Dampfkraftwerks,
mit einer sich mindestens über einen Teilbereich der Oberfläche der Strömungskanaleinrichtung (10, 24) erstreckenden Schutzschicht (18, 38),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschicht (18, 38) mittels eines Gasphasenabscheidungsverfahrens aufgebracht ist.Flow channel device (10, 24) for arrangement in a fluid channel of a thermal power plant, in particular a steam power plant,
with a protective layer (18, 38) extending over at least a portion of the surface of the flow channel device (10, 24),
characterized in that
the protective layer (18, 38) is applied by means of a vapor deposition method. Strömungskanaleinrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine Turbinenschaufel (10), insbesondere eine Leitschaufel und/oder eine Laufschaufel, deren Oberfläche(n) zumindest teilweise von der Schutzschicht (18) bedeckt ist/sind.Flow channel device according to claim 1,
marked by
a turbine blade (10), in particular a vane and / or a blade whose surface (s) is / are at least partially covered by the protective layer (18). Strömungskanaleinrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Blattbereich (14) der Turbinenschaufel (10) von der Schutzschicht (18) bedeckt ist.Flow channel device according to claim 2,
characterized in that
at least one blade area (14) of the turbine blade (10) is covered by the protective layer (18). Strömungskanaleinrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
einen Leitring (24), dessen Oberfläche zumindest teilweise von der Schutzschicht (38) bedeckt ist.Flow channel device according to one of the preceding claims,
marked by
a guide ring (24) whose surface is at least partially covered by the protective layer (38). Strömungskanaleinrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Leitring (24) ein Leitgitter (30) mit Blattelementen (32) aufweist, wobei zumindest die Blattelemente (32) mit der Schutzschicht (38) bedeckt sind.Flow channel device according to claim 4,
characterized in that
the guide ring (24) has a guide grid (30) with leaf elements (32), wherein at least the leaf elements (32) are covered with the protective layer (38). Strömungskanaleinrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gasabscheidungsverfahren physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und/oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD), insbesondere Plasma-CVD umfasst.Flow channel device according to one of the preceding claims,
characterized in that
the vapor deposition method comprises physical vapor deposition (PVD) and / or chemical vapor deposition (CVD), in particular plasma CVD. Strömungskanaleinrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschicht (18, 38) Cr und/oder Ti, insbesondere CrN, CrAlN, TiN, TiAlN und/oder TiB2 enthält.Flow channel device according to one of the preceding claims,
characterized in that
the protective layer (18, 38) contains Cr and / or Ti, in particular CrN, CrAlN, TiN, TiAlN and / or TiB 2 . Strömungskanaleinrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschicht (18, 38) mittels dem PVD-Verfahren Arc Ion Plating (AIP) aufgebrachtes CrN und/oder TiA1N und/oder mittels Plasma-CVD aufgebrachtes Titanborid aufweist.Flow channel device according to one of the preceding claims,
characterized in that
the protective layer (18, 38) comprises CrN and / or TiAlN deposited by means of the PVD process Arc Ion Plating (AIP) and / or titanium boride applied by means of plasma CVD. Verfahren zum Beschichten einer Strömungskanaleinrichtung (10,24) zur Anordnung in einem Strömungsmittelkanal eines thermischen Kraftwerks,
insbesondere eines Dampfkraftwerks,
mit den Schritten eines Bereitstellens einer Strömungskanaleinrichtung (10, 24) sowie
eines Aufbringens einer Schutzschicht (18, 38) auf zumindest einen Teilbereich der Strömungskanaleinrichtung (10, 24),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aufbringen der Schutzschicht (18, 38) mittels Gasphasenabscheidung erfolgt.A method of coating a flow channel device (10, 24) for placement in a fluid channel of a thermal power plant,
in particular a steam power plant,
with the steps of providing a flow channel device (10, 24) as well
applying a protective layer (18, 38) to at least a portion of the flow channel device (10, 24),
characterized in that
the application of the protective layer (18, 38) takes place by means of vapor deposition. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungskanaleinrichtung (10, 24) eine Turbinenschaufel (10) und/oder einen Leitring (24) aufweist, auf deren/dessen Oberfläche(n) zumindest teilweise die Schutzschicht (18, 38) aufgebracht wird.Method according to claim 9,
characterized in that
the flow channel device (10, 24) has a turbine blade (10) and / or a guide ring (24) on whose surface (s) at least partially the protective layer (18, 38) is applied. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gasabscheidungsverfahren physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und/oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD), insbesondere Plasma-CVD umfasst.Method according to claim 9 or 10,
characterized in that
the vapor deposition method comprises physical vapor deposition (PVD) and / or chemical vapor deposition (CVD), in particular plasma CVD.
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