WO2007057294A1 - Turbinenschaufel für eine dampfturbine - Google Patents

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WO2007057294A1
WO2007057294A1 PCT/EP2006/067923 EP2006067923W WO2007057294A1 WO 2007057294 A1 WO2007057294 A1 WO 2007057294A1 EP 2006067923 W EP2006067923 W EP 2006067923W WO 2007057294 A1 WO2007057294 A1 WO 2007057294A1
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turbine
fiber composite
section
composite material
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PCT/EP2006/067923
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Detlef Haje
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • 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
    • F01D5/282—Selecting composite materials, e.g. blades with reinforcing filaments
    • 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
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • 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
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade for a steam turbine ⁇ with an airfoil section and a predominantlyab ⁇ section . Moreover, the invention relates to a steam turbine ⁇ turbine with such a turbine blade.
  • Such turbine blades in particular designed as blades turbine blades of this type are made in the prior art of steel or titanium.
  • Turbine blades in general and in particular stage blades are exposed to high centrifugal stresses functional reasons, since they are intended to represent the highest possible outflow to achieve a high efficiency and a large display ⁇ coat length must have.
  • High-strength steels are therefore used for common applications. Where these are no longer applicable for reasons of centrifugal stresses, titanium vanes are used, which also experience lower centrifugal force stresses due to the lower density.
  • these blades are much more expensive than steel blades.
  • the outflow surfaces for full-speed machines (50 Hz) are limited to approximately 16 m 2 , which entails corresponding consequences for the achievable blade lengths.
  • One of the problem underlying the invention is to provide a steam turbine having a turbine blade of the initially named ge ⁇ provide kind, which allows a particularly high efficiency of the steam turbine and can be operated at the same time reliable in operation in the steam turbine.
  • This object is achieved according to the invention with a generic turbine blade, wherein the Schaufelblattab ⁇ section is designed for use in a low-pressure stage of the steam turbine and at least partially contains Faserver ⁇ composite material.
  • the object is further achieved according to the invention with a steam turbine having such a fiction, ⁇ contemporary turbine blade.
  • Fiber composite blades are thus used according to the invention as low-pressure stage or final stage blades. Comparing the relative strengths of different materials clearly shows the advantage of fiber composites for use as a final stage blade material.
  • the FES is ACTION on the density (R P o, 2 / p) for high-strength Compensation ⁇ steel 115 m 2 / s 2 for titanium 221 m 2 / s 2 for the fiber-reinforced material CFK-HM other hand, 563 m 2 / s 2 .
  • Due to the Wesent ⁇ Lich higher strength of the fiber composite material can either be utilized with conventional dimensions turbine blades made higher or the turbine blades are made with a greater length. The thereby passing on ⁇ centrifugal stresses may density ratio are then added in the blade or vane without sacrificing reliability readily available from the turbine due to the substantially increased strength /.
  • the turbine blade according to the invention is particularly suitable for the last row of blades of a steam turbine, but can also be used according to the invention for the second and possibly the third last row of blades. You can just ⁇ if combined with precursor blades made of steel or titanium become.
  • the present invention at least partially Faserver ⁇ composite material containing the airfoil section of the turbine blade OF INVENTION ⁇ to the invention preferably has at least in the outer wall area of the fiber composite material.
  • the entire airfoil section can also be made
  • the aforementioned object is further achieved according to the invention with a generic turbine blade, in which the blade section at least partially Faserver ⁇ composite material, wherein at least the fiber composite material containing area is surrounded with a deformable moisture-impermeable protective layer, the selection of moisture in the fiber composite currency ⁇ prevents the operation of the turbine blade.
  • the object is achieved with a steam turbine, which is provided with such a turbine blade.
  • a moisture absorption of the Schaufelblattab ⁇ section can be effectively prevented during operation in the steam turbine ver ⁇ .
  • Moisture absorption is an undesirable time-dependent process that can cause weight gain of the component and thus potential rotor imbalance. May further such moisture uptake a deformation of the fiber composite material, as well as exemplary in continuous ⁇ action cause the damage to the matrix and thus a failure of the fiber composite material containing the component.
  • the protective layer of the invention is designed Transform ⁇ bar.
  • the protective layer is within the meaning of In such a way that the protective layer does not lose its moisture impermeability over its service life, despite deformations of the area of the airfoil section containing the fiber composite material occurring during operation of the blade. This can be achieved in particular by the protective layer has a elas ⁇ tables application range which exceeds the elongation unused area of the base material.
  • the inventive embodiment of the turbine blade to be used particularly reliably by the invention further damp ⁇ tmaschinesun be protective layer.
  • the moisture-repellent protective layer encloses the airfoil section completely. Moreover, it may also be desirable for the protective layer to cover the entire turbine blade, i. also the blade foot, encloses.
  • the protective layer should be designed so that a secure adhesion of the protective layer is given even in drops.
  • the design of the base material of the airfoil section should be such that continued droplet impacts do not cause any fatigue or disruption of the base material.
  • the aforementioned object is further achieved according to the invention with a generic turbine blade, in which both the airfoil section and the foot section in each case at least partially contains fiber composite material.
  • the object is achieved with a steam turbine, which is provided with such a turbine blade.
  • the use of fiber composite material in the blade ⁇ sheet section due to the low density of the fiber composite material may, as already mentioned above, the turbine blade with a large outflow surface be designed. This increases the efficiency of the steam turbine. Furthermore, a correspondingly secure and reliable anchoring of the turbine blade in the rotor shaft of the steam turbine can be ensured by the simultaneous use of fiber composite material in the root section of the turbine blade.
  • fibers of the fiber composite material by ⁇ be continuously fed through the airfoil portion and the root portion so that the aerofoil section and the root section received a stable connection and a brief outline of the aerofoil section during the operation of the turbine shop ⁇ fel itself can be effectively prevented the occurrence of large forces.
  • the operational reliability of the turbine blade is guaranteed in operation.
  • the fiber composite ⁇ material advantageously contains glass fibers, plastic fibers, such as aramid fibers, and / or plastic fibers.
  • the fiber-reinforced material CFK-HM can be used as a fiber composite material.
  • the composite fiber material has fibers which in the region of the display ⁇ felblattabiteses under a binenschaufel deviating from a main axis of the turbo angular, in particular
  • an asymmetric arrangement leads to distortion.
  • This may optionally be used for self-tuning purposes in an advantageous alternative embodiment.
  • By the nature of the arrangement of such fibers or plies of the anisotropy can also be used to within a limited range, to achieve a targeted change of the blade geometry in Ab ⁇ dependence on the operating stresses.
  • This- With regard to such a twist can be provided, in which the blade grid opens at overspeeds, so that the flow of less energy and thus does not contribute to a further run-up.
  • the twisting can be used to adjust an optimized flow profile depending on the flow and load.
  • the blade grid can be closed with a smaller flow and be opened correspondingly with a larger flow.
  • the blade blade section has a packing arranged in the middle of the blade, which is completely enclosed by the fiber composite material.
  • an electrically conductive layer is arranged under the protective layer.
  • This electrically conductive layer serves as Warnmecha ⁇ mechanism, whereby damage to the protective layer can be detected, after which countermeasures, such as a replacement or replacement of the affected component, or a repair of the protective layer can be taken in time.
  • Such an electrically conductive layer can individually either a ⁇ or be provided in pairs with an intermediate insulating layer.
  • the layer structure of the airfoil section in the surface region thereof a successive arrangement of the fiber composite material, an electrically conductive, in particular metallic layer, an insulating layer, another electrically conductive, in particular metallic layer and the protective layer.
  • the insulation resistance to the environment or between the two electrically conductive layers can then be measured.
  • the electrical capacity of the electrically conductive layer, the insulating layer, and the further electrically conductive layer comprising arrangement for monitoring the function of the protective layer are measured.
  • water-soluble chemical substances are arranged under the protective layer, which are detectable in dissolved form, in particular in a chemical, optical and / or radiological manner.
  • This measure represents an alternative monitoring possibility of the function of the protective layer.
  • the condensate of the water-steam circuit of the steam power plant can be continuously checked ⁇ . If the chemical substances arranged under the protective layer are detectable in this, this indicates damage to the protective layer.
  • a leading edge of the turbine blade is provided with an edge reinforcement for protection against droplet impact.
  • edge reinforcement may be provided by adhering to the turbine blade or by laminating into the turbine blade.
  • an edge reinforcement can be made by means of a sealed protective or intermediate layer.
  • the basic component of the turbine blade itself can be designed with a turbine-like edge reinforcement.
  • protection against gobbing may be achieved by a laminate construction of the turbine blade in which the fibers are transverse.
  • the foot portion of the turbine blade ⁇ nenschaufel a contact element for making contact with a Schaufelfußhalterung in a rotor shaft of a Steam turbine, wherein the contact element fiber composite ⁇ material and / or contains a metallic material.
  • the contact element made of fiber composite or metallic materials.
  • the corresponding metallic materials should be chosen such that they allow a stable and dimensionally stable connection to the rotor shaft and prevent overstressing of the fiber composite surrounding the contact element of the blade root.
  • the contact element can be constituted by a metallic sleeve.
  • the root section has a deflection element by means of which a substantial An ⁇ is paid diverted from fibers of the airfoil, and / or a guide element, by means of which an advantageous fiber routing in the blade root in a to the geometry of the blade ⁇ sheet section adapted to the fiber guide is redirected to.
  • the deflecting element and / or the guide element may each consist of fiber composite material or a metallic material.
  • the contact element and the guide element or the contact element and the deflecting ⁇ element can each be formed by the same element.
  • the root portion of plug ⁇ is still running foot, the radially into a blade root mounting of a rotor shaft of the turbine in relation to the rotor shaft direction is inserted.
  • the fibers of the fiber composite material are guided around serving as contact elements sleeves.
  • the curvature of the leaf in the foot region can advantageously be modeled by an assignment to different pin positions of the plug-in foot, so that advantageously low deflections from the foot region to the leaf region are achieved. give.
  • the effort for guide elements remains so ⁇ limited.
  • the deformable moisture-impermeable protective layer also surrounds the configured for the turbine blade. So the penetration of moisture is also contained in the root portion of a fiber composite material we ⁇ kung prevented. As a result, the life of the turbine blade can be further increased.
  • the foot section of the turbine blade is designed as a sliding foot, which can be inserted into a blade root holder of a rotor shaft of the turbine in a direction substantially axial with respect to the rotor shaft.
  • substantially axial direction is to be understood that the insertion direction can deviate by up to + 40 ° from the axial direction.
  • the foot portion is curved, with the foot curvature substantially following the curvature of the airfoil portion present in the vicinity of the foot.
  • this has a device for monitoring the vibration behavior of the turbine blade.
  • a change in the natural frequency of the turbine blade can be detected, which may be due to a moisture absorption of the fiber composite ⁇ material in the airfoil section during operation of the steam turbine.
  • Such amendments ⁇ tion to the natural frequency of the turbine blade should then be taken as an opportunity to check the functionality of the aforementioned deformable moisture-impermeable protective layer and the protective layer, if necessary, to repair, so that a failure of the component can be prevented.
  • the steam turbine has at least one heatable guide blade. By heating, moisture on the guide vane ver ⁇ be evaporated and a corresponding damage to other turbine blades are prevented by gushing.
  • a device for extracting moisture on at least one vane may be provided.
  • the preparation of the fiber composite blades preferably with the conventional methods in which fibers wound and impregnated with the matrix material or in the form of so-called prepregs ⁇ be applied. Thereafter, they are brought in a so-called die in its final form, whereby a curing of the matrix takes place.
  • optional contact, deflection or guide elements are already inserted or attached. Thereafter, it may be necessary to edit the blades at certain points, eg by grinding, in order to achieve, for example, the required dimensional accuracy, tolerance compliance and surface quality. Also already mounted contact, deflection or guide ⁇ elements can be edited or these elements after the molding ⁇ riessvorgang be attached.
  • an edge protector to be mounted further, which is integrated by subsequent Anpassarbeit, such as by fen mucilages in the blade profile. This is followed by coating with the layers required for the protective layer and the warning system. In this case, individual layers can be reinforced at certain points in order to improve protection or amplification functions.
  • FIG. 1 is a view of a first embodiment of a turbine blade according to the invention, 2 shows the section II-II of FIG. 1,
  • FIG. 2c shows the detail Y according to FIG. 2, FIG.
  • FIG. 3a shows a partial view of a second embodiment of the turbine blade according to the invention
  • FIG. 3b shows the section III-III of FIG. 3a
  • FIG. 4a is a sectional view of a thirdsbei ⁇ game of a turbine blade according to the invention with a view towards the foot portion of the blade,
  • 4b is a sectional view of a rotor shaft of a
  • FIG. 4c shows the detail Z according to FIG. 4b.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a modern turbine blade of invention 10 which in particular for the dung USAGE ⁇ is designed in a low-pressure stage of a steam turbine.
  • the turbine blade 10 comprises a Schaufelblattab ⁇ section 12 and a foot portion 14 in the form of a plug foot.
  • the foot section 14 has insertion tabs 16 for a pin connection.
  • the airfoil section 12 is made of fiber composite material 18 containing glass fibers and / or carbon fibers.
  • the main fiber direction 20 runs along a main axis 21 of the turbine blade 10. In a region near the root portion 14 has the blade ⁇ sheet section 12, a additional fiber composite sheet 22.
  • the set-fiber composite sheet to ⁇ 22 includes additional fibers which under deviant angle to the main axis 21 of the turbine blade or vane 10, for example, are extending at an angle of ⁇ 15 °, ⁇ 30 ° or ⁇ 45 ° and are provided for stiffening the aerofoil section 12th It is also possible to provide a plurality of such additional fiber composite layers 22. In this case, these layers can be arranged mirror-symmetrically to the blade center surface, whereby a distortion is avoided. An asymmetrical arrangement of the additional fiber composite layers leads to a twist. This may possibly be used for self-adjustment purposes.
  • Fig. 2 shows the section II-II in the aerofoil section 12 of FIG. 1. This shows a large sheet thickness in the range for weight and stiffness optimization arranged packing 24. This is ben 18 vice ⁇ from the fiber composite material.
  • the turbine blade 10 is flown by means of turbine steam 26 according to FIG. 2 from the left.
  • ⁇ 28th Edge reinforcement 28 is shown in greater detail in FIG. 2c. Is composed of metal and is of the turbine show ⁇ fel fixed by means of an adhesive compound 40 with a bonding maschineverbundge- right outlet 42 at the leading edge 27 10th
  • FIG. 2a 2 illustrates a first embodiment of assembly construction of the turbine blade 10 of FIG. Oberflä in a ⁇ chen Scheme thereof.
  • the inner fiber composite material 18 is surrounded by a first electrically conductive layer 36 in the form of a metallic layer, an Iso ⁇ lations slaughter 34, a second electrically conductive layer 32 in the form of a metallic layer, and finally a protective layer 30.
  • the protective layer 30 is moisture-repellent for sealing the Schaufelblattab ⁇ section 12 performed against liquid. The protection So that layer 30 prevents the penetration of moisture into the composite fiber material 18.
  • the protective layer formed so ⁇ deformable 30 so as to the currency ⁇ rend the operation of the turbine blade 10 deformations anticipated encryption compensates without loss of its sealing function.
  • the sequential arrangement of the electrically conductive layer 32, the insulating layer 34 and the electrically lei ⁇ Tenden layer 36 serves to monitor the function of the protective layer 30.
  • FIG. 2b shows a second embodiment of the construction of the turbine blade 10 according to FIG. 2 in a surface area thereof.
  • the fiber composite material 18 is surrounded by a layer of indication material 38, which in turn is surrounded by the protective layer 30.
  • the indication material 38 is in the form of water-soluble substances which are detectable in dissolved form in a chemical, optical and / or radiological manner. The indication material 38 thus serves to detect a leak in the protective layer 30. That is, moisture penetrates into the interior of the protective layer
  • Blade sheet portion 12 so the water-soluble chemicals of the indication material 38 are dissolved and Kings ⁇ nen be detected in the condensate from the steam leaving the turbine.
  • Fig. 3a shows a second embodiment of a turbine blade OF INVENTION ⁇ to the invention to a 110th only partially ge ⁇ showed aerofoil section 12 with a fiber composite material 18, a foot portion 43 connects.
  • the fibers of the fiber composite material 18 are, starting from the scene ⁇ felblattabêt performed in the foot section 43 and 12 therein whereupon the fiber guided around a contact and deflection element 46 in the form of a metal ⁇ metallic sleeve, then again runs back into the airfoil section 12.
  • the element 46 thus fulfills a deflection function.
  • it also fills a contact function in which it makes contact with a shaft groove 48 of a rotor shaft 47 of a steam turbine.
  • FIG. 3b the section III-III of Fig. 3a is shown.
  • the foot portion 43 is designed in the form of a plug foot with plug-in ⁇ tabs 45 for insertion into corresponding transverse to a longitudinal axis 50 of a rotor shaft 47 extending grooves 48.
  • the push-in tabs 45 are then secured in the shaft grooves 48 by means of insertion pins arranged transversely thereto.
  • Each of these plug-in feet 45 has one of the contact and deflection elements 46.
  • a third embodiment of an inventions to the invention ⁇ turbine blade 210 is illustrated with a foot portion 52 in the form of a sliding foot.
  • the complicatab ⁇ section 52 the detail in Fig. 4b in sectional view Darge ⁇ represents is inserted into a running in the axial direction of the rotor shaft shaft groove 60.
  • the foot section 52 is provided with a curvature, as shown in Fig. 4a and has a deflecting element 56 around which a substantial number of fibers of the fiber composite material 18 is guided around. These fibers are surrounded by a guide or contact element 54.
  • This element initially fulfills the function of redirecting an advantageous fiber guide in the foot section 52 into a fiber guide adapted to the geometry of the blade section 12.
  • the element 54 fulfills the function of making contact with a shaft groove 60 of the rotor shaft 58.
  • the guide and contact element 54 completely surrounds the fiber composite material 18 of the foot section 14 and also adjoins the fiber composite material 18 in the lower region of the fiber blade leaf section 12. This area is shown in more detail in Fig. 4c. To case of deformations of the aerofoil section 12 no BeCdi ⁇ conditions of the guide and the contact element 54 or of the fiber composite material causing 18, a gap 62 between the fiber composite material 18 and the element 54 is provided.

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Abstract

Eine Turbinenschaufel (10, 110, 210) für eine Dampfturbine mit einem Schaufelblattabschnitt (12) sowie einem Fußabschnitt (14, 43, 52) ist erfindungsgemäß insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelblattabschnitt (12) zur Verwendung in einer Niederdruckstufe der Dampfturbine gestaltet ist und zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoffe enthält.

Description

Turbinenschaufel für eine Dampfturbine
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Dampf¬ turbine mit einem Schaufelblattabschnitt sowie einem Fußab¬ schnitt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Dampftur¬ bine mit einer derartigen Turbinenschaufel.
Derartige Turbinenschaufeln, insbesondere als Laufschaufeln ausgebildete Turbinenschaufeln dieser Art werden im Stand der Technik aus Stahl oder Titan gefertigt. Turbinenschaufeln im Allgemeinen und insbesondere Endstufenschaufeln sind funktionsbedingt hohen Fliehkraftbeanspruchungen ausgesetzt, da sie zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades eine möglichst hohe Abströmfläche darstellen sollen und damit eine große Schau¬ fellänge besitzen müssen. Für übliche Anwendungen kommen daher hochfeste Stähle zur Anwendung. Wo diese aus Gründen der Fliehkraftspannungen nicht mehr einsetzbar sind, werden Titanschaufeln verwendet, die aufgrund der geringeren Dichte auch geringere Fliehkraftspannungen erfahren. Allerdings sind diese Schaufeln wesentlich kostenintensiver als Stahlschaufeln. Jedoch sind auch bei Titanschaufeln die Abströmflächen für volltourige Maschinen (50 Hz) auf ca. 16 m2 begrenzt, was entsprechende Konsequenzen für die erreichbaren Schaufellängen nach sich zieht.
Aufgrund der praktischen Begrenzung hinsichtlich der Schaufellänge wird im Stand der Technik bei Niederdruckstufen von Dampfturbinen oftmals die Anzahl der Niederdruckfluten erhöht. Dies kann etwa durch einen Umstieg von einflutigen auf zweiflutige Turbinenstufen oder durch einen Einsatz mehrerer Niederdruckteilturbinen geschehen. Auch kann die Drehzahl des Turbosatzes verringert werden. In diesem Fall können dann größere Abströmflächen genutzt werden. Alle diese Maßnahmen sind jedoch mit zum Teil erheblichen Kosten verbunden. Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Dampfturbine mit einer Turbinenschaufel der eingangs ge¬ nannten Art vorzusehen, die einen besonders hohen Wirkungsgrad der Dampfturbine ermöglicht und gleichzeitig betriebs- sicher in der Dampfturbine betrieben werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel gelöst, bei welcher der Schaufelblattab¬ schnitt zur Verwendung in einer Niederdruckstufe der Dampf- turbine gestaltet ist und zumindest bereichsweise Faserver¬ bundwerkstoff enthält. Die Aufgabe ist ferner erfindungsgemäß mit einer Dampfturbine gelöst, die eine derartige erfindungs¬ gemäße Turbinenschaufel aufweist.
Erfindungsgemäß werden also Faserverbundschaufeln als Niederdruckstufen- bzw. Endstufenschaufeln eingesetzt. Im Vergleich der bezogenen Festigkeiten verschiedener Werkstoffe zeigt sich klar der Vorteil von Faserverbundwerkstoffen für eine Anwendung als Endstufenschaufelwerkstoff . So beträgt die Fes- tigkeit über der Dichte (RPo,2/p) für hochfesten Vergütungs¬ stahl 115 m2/s2, für Titan 221 m2/s2, für den faserverstärkten Werkstoff CFK-HM hingegen 563 m2/s2. Aufgrund der wesent¬ lich höheren Festigkeit des Faserverbundwerkstoffes können entweder mit herkömmlichen Abmessungen gefertigte Turbinen- schaufeln höher ausgelastet werden oder die Turbinenschaufeln mit einer größeren Länge hergestellt werden. Die dabei auf¬ tretenden Fliehkraftspannungen können aufgrund des wesentlich erhöhten Festigkeit/Dichte-Verhältnisses dann ohne Einbußen in der Betriebssicherheit ohne weiteres von der Turbinen- schaufei aufgenommen werden.
Durch das große Festigkeit/Dichte-Verhältnis einer erfin¬ dungsgemäß Faserverbundwerkstoff enthaltenden Turbinenschau¬ fel kann aufgrund der Auslegung des Schaufelblattabschnitts zur Verwendung in einer Niederdruckstufe der Dampfturbine trotz der hohen Fliehkraftbeanspruchungen eine stark vergrößerte Abströmfläche vorgesehen werden. Dies kann insbesondere durch Vorsehen einer besonders großen Schaufellänge gesche- hen. Damit kann der Wirkungsgrad der Dampfturbine erheblich gesteigert werden.
Im Bereich der Industrieturbinen kann beispielsweise durch Zulassen eines höheren Gegendrucks der Endstufen (Luftkondensation) , durch eine höhere zulässige Drehzahl von Antriebs¬ turbinen, oder durch die Vergrößerung der Endstufenschaufeln für drehzahlvariable Antriebe durch die erfindungsgemäße Ver¬ wendung des Faserverbundwerkstoffes eine Turbinenschaufel mit vorgegebener Abmessung höher ausgelastet werden. Daraus ergibt sich ebenfalls ein höherer Wirkungsgrad der Dampfturbine .
Wie bereits erwähnt, ergibt sich für den Bereich der Kraft- werksturbinen das Potenzial einer ganz erheblichen Verlängerung bestehender Endstufenschaufeln, einhergehend mit einer wesentlichen Vergrößerung der erreichbaren Abströmflächen. Beispielsweise können bislang halbtourig ausgeführte Turbo¬ sätze mit Abströmflächen von 20 m2 je Flut mit Hilfe der er- findungsgemäßen Turbinenschaufeln durch volltourige Turbosätze gleicher Abströmfläche ersetzt werden. Aufgrund der kleineren Baugröße volltouriger Turbosätze wird eine erhebli¬ che Kosteneinsparung ermöglicht. Auch kann durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln die Anzahl von Nie- derdruck-Fluten reduziert werden. Für mehrflutige Kraftwerks¬ anwendungen kann beispielsweise einer von drei Niederdruckteilen eingespart werden. Auch können zweiflutige Niederdruckturbinen durch einflutige Maschinen ersetzt werden, wodurch ebenfalls erhebliche Kosteneinsparungen erzielt wer- den können. Zusätzlich kann mittels der erfindungsgemäßen
Lösung in jedem Fall eine Verkleinerung der Anlagenbaugröße bei gleichem Abströmquerschnitt erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel eignet sich besonders für die letzte Laufschaufelreihe einer Dampfturbine, kann aber erfindungsgemäß ebenfalls für die zweit- und ggf. die drittletzte Schaufelreihe eingesetzt werden. Sie kann eben¬ falls mit Vorstufen-Schaufeln aus Stahl oder Titan kombiniert werden. Der erfindungsgemäß zumindest bereichsweise Faserver¬ bundwerkstoff enthaltende Schaufelblattabschnitt der erfin¬ dungsgemäßen Turbinenschaufel weist vorzugsweise zumindest im Außenwandbereich den Faserverbundwerkstoff auf. Vorteilhaft- erweise kann auch der gesamte Schaufelblattabschnitt aus
Faserverbundwerkstoff bestehen. Weiterhin nimmt vorteilhaft¬ erweise bei zur Blattspitze schlanker werdendem Schaufel¬ blattabschnitt die Anzahl der Fasern in Längsrichtung des Schaufelblattabschnitts ab.
Die vorgenannte Aufgabe ist erfindungsgemäß weiterhin mit einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel gelöst, bei welcher der Schaufelblattabschnitt zumindest bereichsweise Faserver¬ bundwerkstoff enthält, wobei zumindest der den Faserverbund- werkstoff enthaltende Bereich mit einer verformbaren feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht umgeben ist, die das Eindringen von Feuchtigkeit in den Faserverbundwerkstoff wäh¬ rend dem Betrieb der Turbinenschaufel verhindert. Darüber hinaus ist die Aufgabe mit einer Dampfturbine gelöst, die mit einer derartigen Turbinenschaufel versehen ist.
Damit kann eine Feuchtigkeitsaufnahme des Schaufelblattab¬ schnittes beim Betrieb in der Dampfturbine wirkungsvoll ver¬ hindert werden. Feuchtigkeitsaufnahme ist ein unerwünschter zeitabhängiger Vorgang, der eine Gewichtszunahme des Bauteils und damit eine potenzielle Unwucht des Rotors hervorrufen kann. Weiterhin kann eine derartige Feuchtigkeitsaufnahme eine Verformung des Faserverbundwerkstoffes sowie bei dauer¬ hafter Einwirkung die Schädigung der Matrix und damit ein Versagen des den Faserverbundwerkstoff enthaltenden Bauteils bewirken. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer feuchtig¬ keitsundurchlässigen Schutzschicht werden die vorstehend auf¬ geführten, die Betriebssicherheit der Dampfturbine gefährden¬ den Folgen vermieden. Damit die Schutzschicht die zu erwar- tenden Verformungen des Grundwerkstoffes des Schaufelblattab¬ schnittes ohne Beschädigungen oder Verlust ihrer Abdichtfunktion erträgt, ist die erfindungsgemäße Schutzschicht verform¬ bar ausgeführt. Dabei ist die Schutzschicht im Sinne der Er- findung derart verformbar ausgeführt, dass die Schutzschicht über ihre Lebensdauer trotz beim Betrieb der Schaufel auftretenden Verformungen des den Faserverbundwerkstoff enthaltenden Bereichs des Schaufelblattabschnittes ihre Feuchtigkeit- sundurchlässigkeit nicht verliert. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, indem die Schutzschicht einen elas¬ tischen Einsatzbereich hat, der den ausgenutzten Dehnungsbereich des Grundwerkstoffes übersteigt. Neben dem durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Faserverbundwerkstoffs im Schaufelblattabschnitt ermöglichten größeren Dampfturbinenwirkungsgrad kann die erfindungsgemäße Ausführungsform der Turbinenschaufel durch die weiterhin erfindungsgemäße feuch¬ tigkeitsundurchlässige Schutzschicht besonders betriebssicher eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise umschließt die feuchtigkeitsabweisende Schutzschicht den Schaufelblattabschnitt vollständig. Darüber hinaus kann es auch zweckmäßig sein, wenn die Schutzschicht die gesamte Turbinenschaufel, d.h. auch den Schaufelfuß, um- schließt. In erfindungsgemäß vorteilhafter Ausführungsform sollte die Schutzschicht derart gestaltet sein, dass eine sichere Haftung der Schutzschicht auch bei Tropfenschlägen gegeben ist. Weiterhin sollte die Auslegung des Grundwerkstoffes des Schaufelblattabschnittes derart sein, dass fort- währende Tropfenschläge keine Ermüdung bzw. Zerrüttung des Grundwerkstoffes bewirken.
Die vorgenannte Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel gelöst, bei der sowohl der Schaufelblattabschnitt als auch der Fußabschnitt jeweils zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff enthält. Darüber hinaus ist die Aufgabe mit einer Dampfturbine gelöst, die mit einer derartigen Turbinenschaufel versehen ist.
Durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoff im Schaufel¬ blattabschnitt kann, wie vorstehend bereits erwähnt, aufgrund der geringen Dichte des Faserverbundwerkstoffs die Turbinen¬ schaufel mit einer großen Abströmfläche gestaltet werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Dampfturbine. Weiterhin kann durch die gleichzeitige Verwendung von Faserverbundwerkstoff im Fußabschnitt der Turbinenschaufel eine entsprechend sichere und verlässliche Verankerung der Turbinenschaufel in der Rotorwelle der Dampfturbine sichergestellt werden. So können insbesondere Fasern des Faserverbundwerkstoffs durch¬ gängig durch den Schaufelblattabschnitt und den Fußabschnitt geführt werden, so dass der Schaufelblattabschnitt und der Fußabschnitt eine stabile Verbindung eingehen und ein Abriss des Schaufelblattabschnittes beim Betrieb der Turbinenschau¬ fel selbst beim Auftreten großer Kräfte wirksam vermieden werden kann. Damit wird die Betriebssicherheit der Turbinen¬ schaufel im Betrieb gewährleistet.
Um die Bruchsicherheit der den Faserverbundwerkstoff enthal¬ tenden Bauteile sicherzustellen, enthält der Faserverbund¬ werkstoff vorteilhafterweise Glasfasern, Kunststofffasern, wie etwa Aramidfasern, und/oder Kunststofffasern . Insbesondere kann als Faserverbundwerkstoff der faserverstärkte Werk- Stoff CFK-HM verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Faserverbundwerkstoff Fasern auf, die im Bereich des Schau¬ felblattabschnittes unter einem von einer Hauptachse der Tur- binenschaufel abweichenden Winkel, insbesondere unter dem
Winkel ± 15°, ± -30° und/oder ± 45° gegenüber der Hauptachse geführt sind. Damit wird eine hohe Verwindungssteifigkeit des Schaufelblattabschnittes erreicht. Die Faserverbundlagen kön¬ nen spiegelsymmetrisch zur Blattmittelfläche angeordnet wer- den, wodurch eine Verwindung vermieden wird.
Eine unsymmetrische Anordnung hingegen führt zu Verwindung. Dies kann in einer vorteilhaften alternativen Ausführungsform ggf. zu Selbsteinstellungszwecken genutzt werden. Durch die Art der Anordnung derartiger Fasern oder Lagen kann innerhalb eines begrenzten Bereiches die Anisotropie auch dazu genutzt werden, eine gezielte Änderung der Schaufelgeometrie in Ab¬ hängigkeit von den Betriebsbeanspruchungen zu erzielen. Dies- bezüglich kann eine derartige Verwindung vorgesehen werden, bei der sich das Schaufelgitter bei Überdrehzahlen öffnet, damit der Strömung weniger Energie entzieht und somit nicht zu einem weiteren Hochlauf beiträgt. Ebenso kann die Verwin- düng dazu genutzt werden, strömungs- und lastabhängig ein optimiertes Strömungsprofil einzustellen. So kann etwa das Schaufelgitter bei kleinerer Durchströmung geschlossen werden und bei größerer Durchströmung entsprechend geöffnet werden.
Um eine Kosten- und Steifigkeitsoptimierung der Schaufel zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn der Schaufelblattabschnitt einen in der Blattmitte angeordneten Füllkörper aufweist, der von dem Faserverbundwerkstoff vollständig umschlossen ist.
Um die Funktion der den Bereich mit dem Faserverbundwerkstoff umgebenden verformbaren feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht überwachen zu können und ein Versagen des Schaufelblattabschnitts auszuschließen, ist es zweckmäßig, wenn unter der Schutzschicht eine elektrisch leitende Schicht angeordnet ist. Diese elektrisch leitende Schicht dient als Warnmecha¬ nismus, womit eine Beschädigung der Schutzschicht detektiert werden kann, woraufhin Gegenmaßnahmen, wie etwa ein Ersatz oder ein Austausch des betroffenen Bauteils, bzw. eine Reparatur der Schutzschicht rechtzeitig getroffen werden können. Eine derartige elektrisch leitende Schicht kann entweder ein¬ zeln oder paarweise mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht vorgesehen sein.
Im letzteren Fall ergibt sich für den Schichtaufbau des Schaufelblattabschnitts im Oberflächenbereich desselben eine aufeinander folgende Anordnung des Faserverbundwerkstoffs, einer elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Schicht, einer Isolationsschicht, einer weiteren elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Schicht sowie der Schutzschicht. Zur Überwachung der Funktion der Schutzschicht kann dann der Isolationswiderstand gegenüber der Umgebung oder zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten gemessen werden. Auch kann die elektrische Kapazität der die elektrisch leitende Schicht, die Isolationsschicht, sowie die weitere elektrisch leitende Schicht umfassenden Anordnung zur Überwachung der Funktion der Schutzschicht gemessen werden. Bei Vorsehen nur einer elektrisch leitenden Schicht bietet sich entsprechend die Messung des Isolationswiderstands ge¬ genüber der Umgebung oder des elektrischen Widerstands der elektrisch leitenden Schicht zur Überwachung der Funktion der Schutzschicht an.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind unter der Schutzschicht wasserlösliche chemische Stoffe angeordnet, die in gelöster Form, insbesondere auf chemische, optische und/oder radiologische Weise nachweisbar sind. Diese Maßnahme stellt eine alternative Überwachungsmöglichkeit der Funktion der Schutzschicht dar. So kann beispielsweise das Kondensat des Wasser-Dampf-Kreislaufes des Dampfkraftwerkes kontinuier¬ lich überprüft werden. Sind darin die unter der Schutzschicht angeordneten chemischen Stoffe nachweisbar, deutet dies auf eine Beschädigung der Schutzschicht hin.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist eine Anströmkante der Turbinenschaufel mit einer Kantenverstärkung zum Schutz gegen Tropfenschlag versehen. Eine derartige Kantenverstärkung kann durch Aufkleben auf die Turbinenschaufel oder durch Einlaminieren in die Turbinenschaufel geschaffen werden. Auch kann eine derartige Kantenverstärkung mittels einer aufgedichteten Schutz- oder Zwischenschicht hergestellt werden. Weiterhin ist es möglich, die Schutzschicht entspre¬ chend aufzudicken oder ein zusätzliches Schutzbauteil aufzu- kleben oder einzubetten. Auch kann das Grundbauteil der Turbinenschaufel selbst mit einer turbinenartigen Kantenverstärkung gestaltet sein. Alternativ kann ein Schutz gegen Tropfenschlag durch einen Laminataufbau der Turbinenschaufel, bei dem die Fasern in Querrichtung verlaufen, erreicht werden.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Fußabschnitt der Turbi¬ nenschaufel ein Kontaktelement zum Herstellen eines Kontaktes mit einer Schaufelfußhalterung in einer Rotorwelle einer Dampfturbine aufweist, wobei das Kontaktelement Faserverbund¬ werkstoff und/oder einen metallischen Werkstoff enthält. Wahlweise kann das Kontaktelement aus Faserverbund oder aus metallischen Werkstoffen bestehen. Die entsprechenden metal- lischen Werkstoffe sollten derart gewählt sein, dass sie eine tragfähige und maßhaltige Verbindung zur Rotorwelle gestatten und eine Überbeanspruchung des das Kontaktelement umgebenden Faserverbundwerkstoffs des Schaufelfußes verhindern. Insbe¬ sondere kann das Kontaktelement von einer metallischen Hülse gebildet werden. Bei Vorsehen der vorstehend beschriebenen verformbaren feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht sollte diese vorteilhafterweise im Fußbereich, insbesondere im Kontaktbereich speziell verstärkt oder mit Schutzelementen vor Beschädigungen geschützt werden.
In besonders vorteilhafter Ausführungsform weist der Fußabschnitt ein Umlenkelement, mittels dem eine wesentliche An¬ zahl von Fasern des Schaufelblattes umgelenkt wird, und/oder ein Führungselement, mittels dem eine vorteilhafte Faserfüh- rung im Schaufelfuß in eine an die Geometrie des Schaufel¬ blattabschnittes angepasste Faserführung umgeleitet ist, auf. Auch das Umlenkelement und/oder das Führungselement können jeweils aus Faserverbundwerkstoff oder einem metallischen Werkstoff bestehen. Insbesondere kann das Kontaktelement und das Führungselement bzw. das Kontaktelement und das Umlenk¬ element jeweils von demselben Element gebildet werden.
Vorteilhafterweise ist weiterhin der Fußabschnitt als Steck¬ fuß ausgeführt, der in eine Schaufelfußhalterung einer Rotor- welle der Turbine in bezüglich der Rotorwelle radialer Richtung einsteckbar ist. Zweckmäßigerweise sind dabei die Fasern des Faserverbundwerkstoffs um als Kontaktelemente dienende Hülsen herumgeführt. Weiterhin kann vorteilhafterweise bei einem derartigen Steckfuß die Blattkrümmung im Fußbereich durch eine Zuordnung zu unterschiedlichen Stiftpositionen des Steckfußes nachempfunden werden, so dass sich vorteilhafterweise geringe Umlenkungen vom Fußbereich zum Blattbereich er- geben. Der Aufwand für Führungselemente bleibt damit be¬ schränkt .
In vorteilhafter Ausführungsform umgibt die verformbare feuchtigkeitsundurchlässige Schutzschicht auch den Fußab¬ schnitt. Damit wird ein Eindringen von Feuchtigkeit auch in den im Fußabschnitt enthaltenen Faserverbundwerkstoff wir¬ kungsvoll verhindert. Hierdurch kann die Lebensdauer der Turbinenschaufel weiterhin vergrößert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Fußabschnitt der Turbinenschaufel als Schiebefuß ausgeführt, der in eine Schaufelfußhalterung einer Rotorwelle der Turbine in bezüglich der Rotorwelle im Wesentlichen axialer Richtung einschiebbar ist. Unter im Wesentlichen axialer Richtung ist zu verstehen, dass die Einschieberichtung um bis zu + 40° von der axialen Richtung abweichen kann. Insbesondere ist der Fußabschnitt gekrümmt gestaltet, wobei die Fußkrümmung im Wesentlichen der der in Fußnähe vorliegenden Krümmung des Schaufelblattabschnitts folgt. Durch Umlenkungs- und Kontakt¬ elemente wird eine Kraftübertragung auf Schaufelnuten erreicht. Kontaktelemente können auch die Funktion von Füh¬ rungselementen wahrnehmen. Damit wird der Aufwand für Führungselemente minimiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfturbine weist diese eine Einrichtung zur Beobachtung des Schwingungsverhaltens der Turbinenschaufel auf. Damit kann eine Änderung der Eigenfrequenz der Turbinenschaufel erkannt werden, was auf eine Feuchtigkeitsaufnahme des Faserverbund¬ werkstoffs in dem Schaufelblattabschnitt während dem Betrieb der Dampfturbine rückzuführen sein kann. Eine derartige Ände¬ rung der Eigenfrequenz der Turbinenschaufel sollte dann zum Anlass genommen werden, die Funktionalität der vorgenannten verformbaren feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht zu überprüfen und ggf. die Schutzschicht zu reparieren, damit ein Versagen des Bauteils verhindert werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Dampfturbine mindestens eine beheizbare Leitschaufel auf. Durch Beheizung kann Feuchtigkeit auf der Leitschaufel ver¬ dampft werden und eine entsprechende Beschädigung anderer Turbinenschaufeln durch Tropfenschlag verhindert werden.
Alternativ kann auch eine Vorrichtung zum Absaugen von Nässe auf mindestens einer Leitschaufel vorgesehen sein.
Die Herstellung der Faserverbundschaufeln erfolgt vorzugs- weise mit den üblichen Verfahren, bei denen Fasern gewickelt und mit dem Matrixwerkstoff getränkt oder in Form von so ge¬ nannten Prepregs aufgebracht werden. Danach werden sie in einem so genannten Gesenk in ihre endgültige Form gebracht, wobei auch eine Aushärtung der Matrix erfolgt. Dafür werden optional bereits Kontakt-, Umlenk- oder Führungselemente mit ein- oder angebracht. Danach kann es erforderlich sein, die Schaufeln an bestimmten Stellen, z.B. durch Schleifen, zu bearbeiten, um beispielsweise die erforderliche Maßhaltigkeit, Toleranzeinhaltung und Oberflächengüte zu erreichen. Auch können bereits montierte Kontakt-, Umlenkungs- oder Führungs¬ elemente bearbeitet werden oder diese Elemente nach dem Form¬ gebungsvorgang angebracht werden. Wie bereits vorstehend er¬ wähnt, kann weiterhin ein Kantenschutz montiert werden, welcher durch nachfolgende Anpassarbeit, wie etwa durch Schlei- fen in das Schaufelprofil integriert wird. Im Anschluss daran erfolgt eine Beschichtung mit den für die Schutzschicht und das Warnsystem erforderlichen Schichten. Dabei können einzelne Schichten an bestimmten Stellen verstärkt ausgeführt werden, um Schutz- oder Verstärkungsfunktionen zu verbessern.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemä¬ ßen Turbinenschaufel anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel, Fig. 2 den Schnitt II-II gemäß Fig. 1,
Fig. 2a eine erste Ausführungsform des Ausschnitts X gemäß Fig. 2,
Fig. 2b eine zweite Ausführungsform des Ausschnitts X gemäß Fig. 2,
Fig. 2c den Ausschnitt Y gemäß Fig. 2,
Fig. 3a eine Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel,
Fig. 3b den Schnitt III-III gemäß Fig. 3a,
Fig. 4a eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbei¬ spiels einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel mit Blick Richtung Fußabschnitt der Schaufel,
Fig. 4b eine Schnittansicht einer Rotorwelle einer
Dampfturbine in dem Bereich einer Wellennut mit einem darin befestigten Fußabschnitt einer Turbinenschaufel gemäß Fig. 4a, sowie
Fig. 4c den Ausschnitt Z gemäß Fig. 4b.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs- gemäßen Turbinenschaufel 10, welche insbesondere zur Verwen¬ dung in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine gestaltet ist. Die Turbinenschaufel 10 umfasst einen Schaufelblattab¬ schnitt 12 sowie einen Fußabschnitt 14 in Gestalt eines Steckfußes. Der Fußabschnitt 14 weist Einstecklaschen 16 für eine Stiftverbindung auf. Der Schaufelblattabschnitt 12 ist aus Faserverbundwerkstoff 18 gefertigt, welcher Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern enthält. Die Hauptfaserrichtung 20 verläuft entlang einer Hauptachse 21 der Turbinenschaufel 10. In einem Bereich nahe dem Fußabschnitt 14 weist der Schaufel¬ blattabschnitt 12 eine Zusatzfaserverbundlage 22 auf. Die Zu¬ satzfaserverbundlage 22 enthält zusätzliche Fasern, die unter abweichendem Winkel gegenüber der Hauptachse 21 der Turbinen- schaufei 10, z.B. unter einem Winkel von ± 15°, ± 30° oder ± 45° verlaufen und zur Versteifung des Schaufelblattabschnitts 12 vorgesehen sind. Es können auch mehrere derartige Zusatzfaserverbundlagen 22 vorgesehen sein. Dabei können diese Lagen spiegelsymmetrisch zur Blatt-Mittelfläche angeordnet werden, wodurch eine Verwindung vermieden wird. Eine unsymmetrische Anordnung der Zusatzfaserverbundlagen führt zu einer Verwindung. Dies kann ggf. zu Selbsteinstellungszwecken genutzt werden.
Fig. 2 zeigt den Schnitt II-II im Schaufelblattabschnitt 12 gemäß Fig. 1. Dieser zeigt einen im Bereich großer Blattdicke zur Gewichts- und Steifigkeitsoptimierung angeordneten Füllkörper 24. Dieser ist von dem Faserverbundwerkstoff 18 umge¬ ben. Die Turbinenschaufel 10 wird mittels Turbinendampf 26 gemäß Fig. 2 von links her angeströmt. Zum Schutz gegen Trop¬ fenschlag ist die dem einströmenden Turbinendampf 26 zugewandte Anströmkante der Turbinenschaufel 10 mit einer Kanten¬ verstärkung 28 versehen. Die Kantenverstärkung 28 ist in Fig. 2c näher dargestellt. Sie besteht aus Metall und ist mittels einer Klebeverbindung 40 mit einem kleb- und faserverbundge- rechten Auslauf 42 an der Anströmkante 27 der Turbinenschau¬ fel 10 befestigt.
Fig. 2a veranschaulicht eine erste Ausführungsform des Auf- baus der Turbinenschaufel 10 gemäß Fig. 2 in einem Oberflä¬ chenbereich derselben. Der innen liegende Faserverbundwerkstoff 18 ist dabei von einer ersten elektrisch leitenden Schicht 36 in Gestalt einer metallischen Schicht, einer Iso¬ lationsschicht 34, einer zweiten elektrisch leitenden Schicht 32 in Gestalt einer metallischen Schicht, sowie schließlich einer Schutzschicht 30 umgeben. Die Schutzschicht 30 ist feuchtigkeitsabweisend zum Abdichten des Schaufelblattab¬ schnitts 12 gegenüber Flüssigkeit ausgeführt. Die Schutz- Schicht 30 verhindert damit ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Faserverbundwerkstoff 18. Weiterhin ist die Schutz¬ schicht 30 derart verformbar ausgebildet, dass sie die wäh¬ rend dem Betrieb der Turbinenschaufel 10 zu erwartenden Ver- formungen ohne Verlust ihrer Abdichtfunktion ausgleicht. Die aufeinander folgende Anordnung der elektrisch leitenden Schicht 32, der Isolationsschicht 34 und der elektrisch lei¬ tenden Schicht 36 dient zur Überwachung der Funktion der Schutzschicht 30. Dazu wird der Isolationswiderstand der elektrisch leitenden Schichten 30, 32 gegenüber der Umgebung oder zwischen den Schichten bzw. die Kapazität der Schichtanordnung gemessen, um festzustellen, ob Feuchtigkeit durch die Schutzschicht 30 in das Innere des Schaufelblattabschnitts 12 eingedrungen ist.
Fig. 2b zeigt eine zweite Ausführungsform des Aufbaus der Turbinenschaufel 10 gemäß Fig. 2 in einem Oberflächenbereich derselben. Hier ist der Faserverbundwerkstoff 18 von einer Schicht mit Indikationsmaterial 38 umgeben, welche wiederum von der Schutzschicht 30 umgeben ist. Das Indikationsmaterial 38 liegt in Form von wasserlöslichen Stoffen vor, welche in gelöster Form auf chemische, optische und/oder radiologische Weise nachweisbar sind. Das Indikationsmaterial 38 dient damit zur Detektierung einer Undichtigkeit in der Schutz- schicht 30. Dringt nämlich Feuchtigkeit in das Innere des
Schaufelblattabschnitts 12 ein, so werden die wasserlöslichen chemischen Stoffe des Indikationsmaterials 38 gelöst und kön¬ nen im aus dem die Turbine verlassenden Dampf gewordenen Kondensat nachgewiesen werden.
Fig. 3a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Turbinenschaufel 110. An einen nur teilweise ge¬ zeigten Schaufelblattabschnitt 12 mit Faserverbundwerkstoff 18 schließt sich ein Fußabschnitt 43 an. Dabei sind die Fasern des Faserverbundwerkstoffs 18 ausgehend von dem Schau¬ felblattabschnitt 12 in den Fußabschnitt 43 geführt und darin um ein Kontakt- und Umlenkelement 46 in Gestalt einer metal¬ lischen Hülse herumgeführt, woraufhin die Faser dann wieder in den Schaufelblattabschnitt 12 zurückläuft. Das Element 46 erfüllt damit eine Umlenkfunktion. Gleichzeitig füllt es auch eine Kontaktfunktion, in dem es Kontakt mit einer Wellennut 48 einer Rotorwelle 47 einer Dampfturbine herstellt. Weiter- hin umfasst die Turbinenschaufel 110 gemäß Fig. 3a ein sog. Führungselement 44, mittels dem eine vorteilhafte Faserfüh¬ rung im Schaufelfuß in eine an die Geometrie des Schaufel¬ blattabschnitts 12 angepasste Faserführung des Faserverbund¬ werkstoffs 18 umgeleitet wird.
In Fig. 3b ist der Schnitt III-III nach Fig. 3a gezeigt. Der Fußabschnitt 43 ist in Gestalt eines Steckfußes mit Einsteck¬ laschen 45 zum Einstecken in entsprechende quer zu einer Längsachse 50 einer Rotorwelle 47 verlaufende Wellennuten 48 ausgeführt. Die Einstecklaschen 45 werden dann mittels quer dazu angeordneten Einsteckstiften in den Wellennuten 48 befestigt. Jeder dieser Steckfüße 45 weist eines der Kontakt- und Umlenkelemente 46 auf.
In Fig. 4a ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Turbinenschaufel 210 mit einem Fußabschnitt 52 in Gestalt eines Schiebefußes veranschaulicht. Der Fußab¬ schnitt 52, der in Fig. 4b in Schnittansicht genauer darge¬ stellt ist, wird in eine in axialer Richtung der Rotorwelle verlaufende Wellennut 60 eingeschoben. Der Fußabschnitt 52 ist dabei mit einer Krümmung versehen, wie in Fig. 4a dargestellt und weist ein Umlenkelement 56 auf, um das eine wesentliche Zahl von Fasern des Faserverbundwerkstoffs 18 herumgeführt ist. Diese Fasern sind von einem Führungs- oder Kontaktelement 54 umgeben. Dieses Element erfüllt zunächst die Funktion, eine vorteilhafte Faserführung im Fußabschnitt 52 in eine an die Geometrie des Schaufelblattabschnitts 12 angepasste Faserführung umzuleiten. Weiterhin erfüllt das Element 54 die Funktion, Kontakt mit einer Wellennut 60 der Rotorwelle 58 herzustellen. Das Führungs- und Kontaktelement 54 umgibt den Faserverbundwerkstoff 18 des Fußabschnitts 14 vollständig und grenzt auch an den Faserverbundwerkstoff 18 im unteren Bereich des Faserschaufelblattabschnitts 12 an. Dieser Bereich ist in Fig. 4c genauer dargestellt. Um bei Verformungen des Schaufelblattabschnitts 12 keine Beschädi¬ gungen des Führungs- und Kontaktelements 54 oder des Faser- Verbundwerkstoffs 18 hervorzurufen, ist ein Spalt 62 zwischen dem Faserverbundwerkstoff 18 und dem Element 54 vorgesehen.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (10, 110, 210) für eine Dampfturbine mit einem Schaufelblattabschnitt (12) sowie einem Fußabschnitt (14, 43, 52), dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelblattabschnitt (12) zur Verwendung in einer Niederdruckstufe der Dampfturbine gestaltet ist und zumin¬ dest bereichsweise Faserverbundwerkstoff (18) enthält.
2. Turbinenschaufel (10, 110, 210) für eine Dampfturbine mit einem Schaufelblattabschnitt (12) sowie einem Fußabschnitt
(14, 43, 52), insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelblattabschnitt (12) zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff (18) enthält, wobei zumindest der den Faserverbundwerkstoff (18) enthal¬ tende Bereich von einer verformbaren feuchtigkeitsundurchlässigen Schutzschicht (30) umgeben ist, die das Eindrin- gen von Feuchtigkeit in den Faserverbundwerkstoff (18) während dem Betrieb der Turbinenschaufel (10, 110, 210) verhindert .
3. Turbinenschaufel (10, 110, 210) für eine Dampfturbine mit einem Schaufelblattabschnitt (12) sowie einem Fußabschnitt
(14, 43, 52), insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Schaufelblattabschnitt (12) als auch der Fußab¬ schnitt (14, 43, 52) jeweils zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoff (18) enthält.
4. Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff (18) Glasfasern, Kunststofffa- sern und/oder Kohlenstofffasern enthält.
5. Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff (18) Fasern aufweist, die im Bereich des Schaufelblattabschnittes (12) unter einem von einer Hauptachse (21) der Turbinenschaufel (10, 110, 210) abweichenden Winkel, insbesondere unter den Winkeln ± 15°, ± 30° und/oder ± 45° gegenüber der Hauptachse (21) geführt sind.
6. Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelblattabschnitt (12) einen in der Blattmitte angeordneten Füllkörper (24) aufweist, der von dem Faserverbundwerkstoff (18) vollständig umschlossen ist.
7. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch eine unter der Schutzschicht (30) angeordnete elektrisch leitende Schicht (32, 36) .
8. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Schutzschicht (30) wasserlösliche chemische Stoffe (38) angeordnet sind, die in gelöster Form, insbesondere auf chemische, optische und/oder radiologi¬ sche Weise, nachweisbar sind.
9. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anströmkante (27) der Turbinenschaufel (10, 110, 210) mit einer Kantenverstärkung (28) zum Schutz gegen Tropfenschlag versehen ist.
10. Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fußabschnitt (14) ein Kontaktelement (46, 54) zum Her- stellen eines Kontaktes mit einer Schaufelfußhalterung
(48, 60) in einer Rotorwelle (47, 58) einer Dampfturbine aufweist, wobei das Kontaktelement (46, 54) Faserverbundwerkstoff (18) und/oder einen metallischen Werkstoff enthält.
11. Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fußabschnitt (14, 43, 52) ein Umlenkelement (46, 56), mittels dem eine wesentliche Anzahl von Fasern des Schau¬ felblattabschnitts (12) umgelenkt wird, und/oder ein Führungselement (44, 54), mittels dem eine vorteilhafte Faserführung im Fußabschnitt (14, 43, 52) in eine an die Geometrie des Schaufelblattabschnitts (12) an- gepasste Faserführung umgeleitet ist, aufweist .
12. Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fußabschnitt (14, 43, 52) als Steckfuß (14, 43) ausge¬ führt ist, der in eine Schaufelfußhalterung (48) einer Rotorwelle (47) der Turbine in bezüglich der Rotorwelle (47) radialer Richtung einsteckbar ist.
13. Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feuchtigkeitsabweisende Schutzschicht (30) auch den Fußabschnitt (14, 43, 52) umgibt.
14. Turbinenschaufel nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fußabschnitt (14, 43, 52) als Schiebefuß (52) ausge- führt ist, der in eine Schaufelfußhalterung (60) einer Rotorwelle (58) der Turbine in bezüglich der Rotorwelle (58) im Wesentlichen axialer Richtung einschiebbar ist.
15. Dampfturbine mit einer Turbinenschaufel (10, 110, 210) nach einem der vorausgehenden Ansprüche.
16. Dampfturbine nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Beobachtung des Schwingungsverhaltens der Turbinenschaufel (10, 110, 210) .
17. Dampfturbine nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch mindestens eine beheizbare Leitschaufel.
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