[0001] Die Erfindung betrifft eine Welle für eine Strömungsmaschine sowie ein Verfahren
zur Herstellung einer eine Oberfläche und zumindest eine Wellenkerbe aufweisenden
Welle.
[0002] Turbinenwellen für Strömungsmaschinen zählen zu den am stärksten thermisch und mechanisch
belasteten Bauteilen. Unter der Sammelbezeichnung "Strömungsmaschinen" werden Wasserturbinen,
Dampf- und Gasturbinen, Windräder, Kreiselpumpen und Kreiselverdichter sowie Propeller
zusammengefasst. Allen diesen Maschinen ist gemeinsam, dass sie dem Zweck dienen,
einem Fluid Energie zu entziehen, um damit eine andere Maschine anzutreiben oder umgekehrt
einem Fluid Energie zuzuführen, um dessen Druck zu erhöhen. In der Strömungsmaschine
ist die Energieumsetzung indirekt und nimmt stets den Weg über die kinetische Energie
des Fluids. Am Beispiel einer Dampfturbine lässt sich das verfolgen. Das Strömungsmedium
tritt in die Dampfturbine ein und strömt zunächst durch einen Kranz feststehender
Leitschaufeln. Dabei erhöht sich die Geschwindigkeit und damit die kinetische Energie
des Strömungsmediums auf Kosten seines Druckes oder exakter seiner potentiellen Energie.
Zugleich entsteht durch die Form der Leitschaufeln eine Geschwindigkeitskomponente
in der Umfangsrichtung des Laufrades. Im Laufrad gibt das Fluid seine kinetische Energie
an den Läufer ab, indem die Richtung und oft auch der Betrag der Geschwindigkeit beim
Durchströmen der von den Laufschaufeln gebildeten Kanäle verändert wird. Die dabei
entstehenden Kräfte treiben das Laufrad an. Mit vermindertem Energiegehalt tritt das
Strömungsmedium aus der Dampfturbine aus.
[0003] Dampfturbinen können für verschiedene Druckbereiche des Strömungsmediums ausgebildet
werden. So sind z. B. Hochdruck-Teilturbinen, Mitteldruckteilturbinen und Niederdruckteilturbinen
bekannt. Der in eine Hochdruck-Teilturbine strömende Dampf kann Temperaturen von über
600°C und einen Druck von über 300 bar aufweisen. Der in die Niederdruckteilturbine
strömende Dampf hat vergleichsweise eine niedrige Temperatur um 40°C.
[0004] Wird bei der weitergehenden Entspannung des Dampfes in der Niederdruckteilturbine
die Grenzkurze zum Nassdampfgebiet unterschritten, so entsteht zunächst ein unterkühlter
Dampf, dessen Temperatur unter der zum Dampfdruck gehörigen Sättigungstemperatur liegt.
In diesem instabilen Zustand ist der Dampf noch rein gasförmig, denn wegen des Fehlens
so genannter Kondensationskerne bilden sich zunächst keine Flüssigkeitströpfchen.
Bei einer bestimmten Unterkühlung setzt jedoch eine spontane Kondensation ein, die
so rasch abläuft, dass man von einem Kondensationsstoß spricht. Die Nebeltröpfchen,
die sich dabei bilden, die Primärtröpfchen, sind sehr klein. Auch bei der weiteren
Expansion wachsen sie durch die fortschreitende Kondensation kaum auf Durchmesser
über etwa 0,2 µm an.
[0005] Durch die Stromlinienkrümmung in der Beschaufelung wird ein Teil der Feuchtigkeit
auszentrifugiert und sammelt sich in Form eines Wasserfilms oder einzelner Wassersträhnen
auf den Hohlseiten der Leit- und Laufschaufeln. Von deren Hinterkante löst sich der
Wasserfilm ab und bildet die größeren Sekundärtropfen mit Durchmessern bis zu etwa
400 µm. Noch größere Wasserteilchen sind in der Turbinenströmung nicht stabil, da
sie wieder zerstäubt werden.
[0006] Die in Niederdruckteilturbinen eingesetzten Turbinenwellen sind einer hochzyklischen
Schwingbelastung durch Umlaufbiegung in Folge Eigengewicht stark beansprucht. Die
Dauerfestigkeit dieser Turbinenwellen wird besonders durch das Umgebungsmedium, insbesondere
dem Strömungsmedium Dampf bestimmt. Dabei liegen einige Bereiche der Turbinenwelle
im so genannten Nassdampfbereich.
[0007] Außer der Wirkungsgradminimierung hat die Anwesenheit flüssigen Wassers noch eine
andere nachteilige Wirkung. Die metallischen Werkstoffe können angegriffen werden.
Die so genannte Tropfenschlagerosion kann an den Eintrittskanten der Laufschaufeln
auftreten. Im Nachlauf der Leitschaufeln, wo die Dampfgeschwindigkeit wegen des Grenzschichteinflusses
plan ist, werden die Wassertropfen nur mäßig beschleunigt. Ihre Relativgeschwindigkeit
ist wegen der hohen Umfangsgeschwindigkeit von Endstufenschaufeln dennoch groß. Beim
Aufprall auf die Laufschaufel kann es zu einem Materialabtrag kommen, und zwar dann,
wenn die Tropfen Durchmesser in der Größenordnung von 50 bis 400 µm haben. Wesentlich
kleinere Tropfen sind harmlos und größere kommen nicht vor.
[0008] Der Einfluss des Nassdampfes, der zur Tropfenschlagerosion an den Eintrittskanten
der Laufschaufeln führt, ist auch auf der Welle bemerkbar. Der Nassdampf führt zu
einem starken Abfall der Dauerfestigkeit von Turbinenwellen. Schätzungen haben gezeigt,
dass die Dauerfestigkeit um einen Faktor 3 absinken kann gegenüber einer Turbinenwelle,
die als Umgebungsmedium Luft erfährt.
[0009] Der Dauerfestigkeitsreduzierung der Turbinenwelle durch Nassdampf wurde bislang dahingehend
begegnet, dass die Turbinenwelle derart konstruiert wurde, dass der Einfluss von Nassdampf
minimiert wird. Allerdings kann durch andere Konstruktionen das Problem der Dauerfestigkeitsreduzierung
durch Nassdampf nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Eine andere bekannte Maßnahme
ist es, Stellen an der Turbinenwelle, die besonders durch den Nassdampf hinsichtlich
Korrosion belastet werden, zu rolieren. Das Rolieren führt zu einer Erhöhung der Dauerfestigkeit
an der kritischen Stelle, ohne den Zutritt des Mediums Nässe an die metallische Oberfläche
zu verhindern. Der Effekt beruht auf der Einbringung von Druckeigenspannungen, die
die Betriebsspannungen infolge Überlagerung reduzieren. Das Rolieren erfordert allerdings
einen nicht zu vernachlässigenden Aufwand, der zu hohen Kosten bei der Herstellung
der Turbinenwelle führt.
[0010] Wünschenswert wäre es, eine Möglichkeit zu finden, um den Einfluss von Nassdampf
auf die Dauerfestigkeit von Turbinenwellen zu minimieren.
[0011] An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Welle für eine
Strömungsmaschine anzugeben, deren Dauerfestigkeitsreduzierung durch Nassdampf wirksam
begegnet werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Herstellung einer Oberfläche und zumindest eine Wellenkerbe aufweisenden Welle anzugeben,
wobei die Dauerfestigkeitsreduzierung durch Nassdampf wirksam begegnet wird.
[0012] Die auf die Welle hin gerichtete Aufgabe wird gelöst, indem auf wenigstens einen
Teil der Oberfläche eine Schutzschicht aufgebracht wird.
[0013] Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass dem Einfluss des Nassdampfes im Wesentlichen
durch eine wirksame Schutzschicht begegnet werden kann. Die Stellen, die besonders
durch den Nassdampf belastet werden, d. h. die Dauerfestigkeit wird durch Nassdampf
infolge Spannungsrisskorrosion stark reduziert, werden auf wenigstens einen Teil der
Oberfläche mit einer Schutzschicht beaufschlagt. Die Schutzschicht hat die Wirkung,
dass die kleinen Tröpfchen des Nassdampfs an der Lackoberfläche abperlen, ohne diese
dabei wesentlich zu beschädigen. In jedem Fall wird die spannungsbeaufschlagte Oberfläche
des Turbinenwellen-Materials durch die Anwesenheit des Nassdampfes nicht beeinflusst,
da gerade die Oberfläche aufgrund der hohen Spannung dort einen wesentlichen Einfluss
auf die Dauerfestigkeit der gesamten Turbinenwelle ausübt. Dadurch ist eine Reduzierung
der Dauerfestigkeit in Folge des korrosiven Angriffs von Tröpfchen aus dem Nassdampf
wirksam begegnet.
[0014] Die Schutzschicht kann ein Lack sein oder aus einem Material mit elastischen Eigenschaften,
wie z. B. Gummi bestehen.
[0015] Vorteilhaft ist es, den Lack in Wellenachsrichtung gesehen in einem axialen Abschnitt
über den gesamten Umfang anzubringen. Da die Turbinenwelle in der Regel mit hohen
Drehzahlen, 50 Hz bzw. 60 Hz, betrieben wird, üben die Tröpfchen aus dem Nassdampf
einen Einfluss auf den gesamten Umfang der Wellenoberfläche aus. Daher ist es von
Vorteil, wenn die Welle über den gesamten Umfang hinweg mit diesem Lack versehen wird.
[0016] Die Erfindung geht auch von dem Aspekt aus, dass es nicht notwendig erscheint, die
gesamte Turbinenwellenoberfläche mit der Schutzschicht aus Kostengründen zu versehen.
Vielmehr liegt der Gedanke zugrunde, lediglich an den höchstbeanspruchten Stellen,
an denen die Dauerfestigkeit durch Nassdampf reduziert werden würde, mit dem Lack
erfindungsgemäß zu behandeln.
[0017] Vorteilhafterweise wird die Schutzschicht an einer Wellenkerbe aufgebracht. Es hat
sich gezeigt, dass besonders eine Welle, die Wellenkerben aufweist, genau an diesen
Stellen durch Nassdampf infolge Spannungsrisskorrosion (SpRK) belastet wird. Insbesondere
wird die Dauerfestigkeit an den Wellenkerben durch Nassdampf reduziert.
[0018] Die Wellenkerbe ist hierbei zwischen einem ersten Bereich der Welle mit einem ersten
Radius und einem zweiten Bereich der Welle mit einem zweiten Radius angeordnet. Der
erste Radius ist gegenüber dem zweiten Radius verschieden. Die Wellenkerbe weist darüber
hinaus einen Kerbradius auf.
[0019] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Hochtemperaturlack als Lack verwendet,
der für Temperaturen über 600°C geeignet ist.
[0020] Unter einem Lack im Sinne dieser Erfindung ist ein Lack oder ein lackähnlicher Stoff
zu verstehen, der zur gezielten Beschichtung einzelner lokaler Bereiche verwendet
wird und seine hohe Schutzwirkung, wie z. B. die Haftfestigkeit, die Dichte und/oder
chemische Beständigkeit durch eine anschließende Wärmebehandlung erhält. Die Wärmebehandlung
erfolgt derartig, dass der Grundwerkstoff in seiner Festigkeit nicht beeinflusst wird.
Der Lack oder lackähnliche Stoff ist bis zu Temperaturen von über 600°C einsetzbar
und bleibt nach dem Einbrennen auf der Turbinenwelle ausreichend elastisch. Dadurch
ist es vorteilhaft, wenn als Lack ein Hochtemperaturlack verwendet wird und dieser
bei Temperaturen bis über 600°C geeignet ist.
[0021] Die auf das Verfahren hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur
Herstellung einer eine Oberfläche und zumindest eine Wellenkerbe aufweisenden Welle,
wobei auf die Wellenkerbe ein Lack aufgebracht wird und anschließend eine Wärmbehandlung
erfolgt.
[0022] Die Vorteile des Verfahrens entsprechen den bei der Vorrichtung erwähnten Vorteilen.
Daher wird an dieser Stelle zu den Ausführungen zur Welle verwiesen.
[0023] Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Wärmebehandlung folgende Schritte umfasst:
Erwärmen auf 430°C - 450°C, Haltezeit 0,1h bis 3h und ein Abkühlen mit 20°C - 80°C/h
auf 300°C.
[0024] Die Erfinder haben erkannt, dass mit den vorgenannten Temperaturwerten und Zeiten
die Schicht besonders wirksam aufgebracht werden kann. Insbesondere ist die Schutzwirkung,
wie z. B. die Haftfestigkeit, die Dichte oder die chemische Beständigkeit besonders
hoch.
[0025] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Dabei haben mit demselben Bezugszeichen versehene Komponenten die
gleiche Funktionsweise.
[0026] Dabei zeigen:
- Figur 1
- eine Schnittdarstellung durch einen Teil einer Niederdruckteilturbine;
- Figur 2
- eine Seitenansicht einer Turbinenwelle;
- Figur 3
- eine Seitenansicht eines Teiles einer Welle mit Wellenkerbe.
[0027] In der Figur 1 ist eine Niederdruckteilturbine 1 in einer Schnittdarstellung gezeigt.
Die Niederdruckteilturbine 1 weist um eine Rotationsachse 2 symmetrisch ausgebildete
Turbinenwelle 3 auf. Die Turbinenwelle 3 weist verschiedene Radien auf, die zur Mitte
4 der Turbinenwelle hin größer werden. Auf die Turbinenwelle 3 sind so genannte Radscheiben
5 aufgebracht. Der Übersichtlichkeit wegen sind lediglich zwei Radscheiben 5 mit dem
Bezugszeichen 5 versehen. Die Radscheiben 5 werden in der Regel durch Aufschrumpfen
auf die Turbinenwelle 3 angeordnet. Auf die Radscheiben 5 werden die Laufschaufeln
6 angebracht. Besonders im Niederdruckteil einer Dampfturbine sind die Laufschaufeln
6 lang und können Werte von über 1,20 m betragen. Ebenfalls rotationssymmetrisch um
die Rotationsachse 2 ist das Innengehäuse 7 ausgebildet. Das Innengehäuse 7 trägt
die Leitschaufeln 8. Der Übersichtlichkeit wegen sind lediglich zwei Leitschaufeln
8 mit dem Bezugszeichen 8 versehen. Durch nicht näher dargestellte Einströmkanäle
strömt Niederdruckdampf in die Niederdruckteilturbine 1 und strömt im Strömungskanal
9 in die Richtung 10 und 11. Die Temperatur und der Druck des Dampfes werden dabei
gesenkt, wobei es nicht auszuschließen ist, dass dadurch der Dampf "nass" wird und
Tröpfchen gebildet werden.
[0028] Die Welle 3 wird durch die Energieumsetzung in Rotation versetzt. Der Niederdruckdampf
strömt anschließend aus dem Abströmbereich 12 aus der Dampfturbine heraus. Der Niederdruckdampf
wird hierbei in einem Diffusorgehäuse 13 umgelenkt und zu einem Kondensator geführt,
wo der Dampf zu Wasser kondensiert.
[0029] In der Figur 2 ist die Welle 3 einer Niederdruckteilturbine 1 dargestellt. Die Niederdruckwelle
3 weist in ihrer Längsrichtung verschiedene Durchmesser auf. Dabei kann die Turbinenwelle
3 spiegelsymmetrisch zur Spiegelachse 14 ausgebildet sein. Allerdings muss die Turbinenwelle
nicht zwingend spiegelsymmetrisch zur Spiegelachse 14 ausgebildet sein. Die verschiedenen
Durchmesser d0, d1, d2, d3, d4 und d5 sind voneinander unterschiedlich. Die Durchmesser
d0 bis d5 links der Spiegelachse 14 sind in der Regel gleich groß wie die Durchmesser
d5 bis d0 auf der rechten Seite der Spiegelachse. Dies ist allerdings nicht zwingend
erforderlich, insbesondere können die Durchmesser leicht unterschiedlich sein.
[0030] Die Turbinenwelle 3 weist dadurch eine Oberfläche auf, die sozusagen unstetig verläuft.
[0031] Zwischen einem ersten Bereich 16 der Welle 3 mit einem Radius d4 und einem zweiten
Bereich 17 der Welle mit einem zweiten Radius d5 ist ein unstetiger Übergang, wobei
zwischen diesen beiden Bereichen 16, 17 eine Wellenkerbe 18 ausgebildet ist. In der
Figur 2 ist die Wellenkerbe mit einem Kreis 19 der Übersichtlichkeit wegen besser
kenntlich gemacht.
[0032] Die Bereiche 16 und 17 mit den Radien d4 bzw. d5 sind lediglich beispielhaft aufgeführt.
Wellenkerben treten selbstverständlich überall dort auf, wo zwei unterschiedliche
Bereiche mit zwei unterschiedlichen Radien sind. Weitere Beispiele wäre der Übergang
von dem Bereich mit dem Durchmesser d1 zu dem Bereich mit dem Durchmesser d2 oder
der Übergang des Bereiches mit dem Durchmesser d3 zu dem Bereich mit dem Durchmesser
d4. Um dennoch in der Figur 2 deutlich zu machen, an welchen Stellen die Turbinenwelle
besonders durch den Einfluss des Nassdampfes stark belastet wird, sind durch Kreise
19 die Wellenkerben kenntlich gemacht.
[0033] Die Welle 3 ist für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Niederdruckteilturbine
1 einsetzbar. Wenigstens auf einen Teil der Oberfläche 15 wird eine Schutzschicht
20 aufgebracht.
[0034] Die Schutzschicht kann ein Lack sein oder aus einem Material mit elastischen Eigenschaften,
wie z. B. Gummi bestehen.
[0035] In Wellenachsrichtung 21 gesehen ist die Schutzschicht in einem axialen Abschnitt,
beispielsweise zwischen 17 und 18 über den gesamten Umfang der Welle angebracht.
[0036] Die Wellenkerbe weist einen Kerbradius 23 auf und stellt somit einen stetigen Übergang
vom Radius d4 beispielsweise zum Radius d5. Der Verlauf der Wellenkerbe 18 muss nicht
zwingend einem Kreissegment entsprechen, vielmehr soll der Begriff Kerbradius 23 dahin
verstanden werden, dass der erste Bereich 16 und der zweite Bereich 17, die unterschiedliche
Radien d4 bzw. d5 aufweisen, nicht unstetig ineinander übergehen, d. h. der Wellenradius
d4 ändert sich im Bereich 22 vom Radius d4 zu einem unter Umständen von d5 unterschiedlichen
Radius.
[0037] Unter Lack ist ein Lack oder lackähnlicher Stoff zu verstehen, der zur gezielten
Beschichtung einzelner lokaler Bereiche verwendet werden kann und seine hohe Schutzwirkung,
z. B. Haftfestigkeit, Dichte, chemische Beständigkeit durch eine anschließende Wärmebehandlung
erhält. Die Wärmebehandlung erfolgt derartig, dass der Grundwirkstoff in seiner Festigkeit
nicht beeinflusst wird. Der Lack ist bis über 600° schützend und bleibt nach dem Einbrennen
ausreichend elastisch.
[0038] In einem Verfahren zum Herstellen einer Oberfläche und zumindest eine Wellenkerbe
aufweisende Welle 3 weist die Wärmebehandlung folgende Schritte auf:
[0039] Erwärmen auf430°C - 450°C, Haltezeit 0,1h bis 3h und Abkühlen mit 20°C - 80°C/h auf
300°C.
1. Welle (3) für eine Strömungsmaschine,
gekennzeichnet durch,
eine auf wenigstens einen Teil der Oberfläche (15) aufgebrachte Schutzschicht (20).
2. Welle (3) nach Anspruch 1,
wobei die Schutzschicht (20) ein Lack ist.
3. Welle (3) nach Anspruch 1,
wobei die Schutzschicht (20) aus einem Material mit elastischen Eigenschaften besteht.
4. Welle (3) nach Anspruch 3,
wobei das Material mit elastischen Eigenschaften ein Gummi ist.
5. Welle (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Schutzschicht (20) in Wellenachsrichtung (21) gesehen in einem axialen Abschnitt
(16, 17, 22) über den gesamten Umfang angebracht ist.
6. Welle (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Welle (3) eine Wellenkerbe (18), auf die die Schutzschicht (20) angebracht
ist, aufweist.
7. Welle (3) nach Anspruch 6,
wobei die Wellenkerbe (18) zwischen einem ersten Bereich (16) der Welle (3) mit einem
ersten Radius (d4) und einem zweiten Bereich (17) der Welle (3) mit einem zweiten
Radius (d5) angeordnet ist,
wobei der erste Radius (d4) und der zweite Radius (d5) unterschiedlich sind, wobei
die Wellenkerbe (18) einen Kerbradius (23) aufweist.
8. Welle (3) nach Anspruch 1, 2, 5, 6 oder 7,
wobei der Lack (20) ein Hochtemperaturlack ist und bei Temperaturen bis über 600°
C geeignet ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer eine Oberfläche (15) und zumindest eine Wellenkerbe
(18) aufweisenden Welle (3),
dadurch gekennzeichnet, dass
auf die Wellenkerbe (18) ein Lack (20) aufgebracht wird und anschließend eine Wärmebehandlung
erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei die Wärmebehandlung folgende Schritte umfasst: Erwärmen auf 430°C - 450°C, Haltezeit
0,1h bis 3h und Abkühlen mit 20°C - 80°C/h auf 300°C.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.
1. Welle (3) für eine Strömungsmaschine,
wobei die Welle (3) eine auf wenigstens einen Teil der Oberfläche (15) aufgebrachte
Schutzschicht (20) aufweist,
wobei die Schutzschicht (20) ein Lack ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lack (20) ein Hochtemperaturlack ist und bei Temperaturen bis über 600° C geeignet
ist.
2. Welle (3) nach Anspruch 1,
wobei die Schutzschicht (20) in Wellenachsrichtung (21) gesehen in einem axialen Abschnitt
(16, 17, 22) über den gesamten Umfang angebracht ist.
3. Welle (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Welle (3) eine Wellenkerbe (18), auf die die Schutzschicht (20) angebracht
ist, aufweist.
4. Welle (3) nach Anspruch 3,
wobei die Wellenkerbe (18) zwischen einem ersten Bereich (16) der Welle (3) mit einem
ersten Radius (d4) und einem zweiten Bereich (17) der Welle (3) mit einem zweiten
Radius (d5) angeordnet ist,
wobei der erste Radius (d4) und der zweite Radius (d5) unterschiedlich sind, wobei
die Wellenkerbe (18) einen Kerbradius (23) aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung einer eine Oberfläche (15) und zumindest eine Wellenkerbe
(18) aufweisenden Welle (3),
dadurch gekennzeichnet, dass
auf die Wellenkerbe (18) ein Lack (20) aufgebracht wird und anschließend eine Wärmebehandlung
erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
wobei die Wärmebehandlung folgende Schritte umfasst: Erwärmen auf 430°C - 450°C, Haltezeit
0,1h bis 3h und Abkühlen mit 20°C - 80°C/h auf 300°C.