[0001] Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel mit einer Deckplatte für eine Dampfturbine.
[0002] Moderne Dampfturbinen müssen hohen Ansprüchen bezüglich ihres Wirkungsgrads und ihrer
Verfügbarkeit genügen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist es bekannt beispielsweise
die Laufschaufeln mit einer Deckplatte bzw. einem Deckband zu versehen, wodurch Spaltverluste
in der Dampfturbine verringert werden sollen. An dem Deckband sind mehrere Dichtspitzen
ausgebildet, wodurch die Spaltweite zwischen dem Deckband und dem Dampfturbinengehäuse
verringert ist. Eine durch den Spalt tretende Spaltströmung kann dadurch minimiert
und somit der thermodynamische Wirkungsgrad der Dampfturbine gesteigert werden.
[0003] Insbesondere sind die Laufschaufeln einer Endstufe einer Niederdruckturbine lang
in ihrer radialen Erstreckung gebildet und müssen somit den Belastungen einer hohen
Umfangsgeschwindigkeit an den Schaufelspitzen der Laufschaufeln und einer erhöhten
Erwärmung aufgrund von in der Endstufe vermehrt auftretenden Ventilationseffekten
standhalten. Für die Endstufe kann auch der Werkstoff Titan eingesetzt werden, der
sich neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit durch eine hohe Festigkeit und ein
geringes spezifisches Gewicht auszeichnet. Herkömmlich wird für letzte Laufreihen
ein Deckband vorgesehen. Um die mechanische Belastung der Laufschaufel aufgrund der
Fliehkraft hervorgerufen durch das Deckband so gering wie möglich zu halten, ist es
notwendig das Deckband möglichst leichtgewichtig zu gestalten. Die abdichtende Breite
der Deckbänder sind daher in ihrer axialen Erstreckung kürzer als in ihrer der zugehörigen
Laufschaufel zugeordneten Breite. Dies reduziert die Dichteffizienz des Deckbands
und senkt somit den Wirkungsgrad der Dampfturbine.
[0004] Des Weiteren ist ein aufgrund von Kerbwirkung ohnehin stark belasteter Übergangsbereich
zwischen der Schaufelspitze der Laufschaufel und dem Deckband einem Tropfenschlag
unmittelbar ausgesetzt. Der Tropfenschlag führt zu einer kontinuierlichen Schlagbelastung
der Laufschaufel, wodurch die Laufschaufel unter Umständen einem erheblichen Oberflächenabtrag
ausgesetzt ist, was mit einer deutlich verkürzten Lebensdauer der Laufschaufel einhergeht.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Laufschaufel für eine Dampfturbine
zu schaffen, bei der die oben genannten Probleme weitestgehend überwunden sind und
die Laufschaufel vor Tropfenschlagerosion geschützt ist.
[0006] Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Laufschaufel für eine Dampfturbine gemäß
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen beschrieben.
[0007] Die erfindungsgemäße Laufschaufel für eine Dampfturbine weist ein Schaufelblatt,
das eine Schaufelvorderkante und eine Schaufelspitze aufweist, und eine Deckplatte
auf. Die Deckplatte weist eine Grundplatte, die an der Schaufelspitze des Schaufelblatts
angebracht und im Wesentlichen parallel zur Maschinenachse der Dampfturbine im Einbauzustand
ist, und eine Schildplatte auf, die stromauf der Schaufelvorderkante an der Grundplatte
und von dieser radial nach innen vorstehend ausgebildet ist, so dass die Schaufelspitze
mit ihrem Bereich der Schaufelvorderkante im Windschatten der Schildplatte liegt,
wenn die Laufschaufel von einer Hauptdampfströmung der Dampfturbine angeströmt ist.
Der im Windschatten der Schildplatte angeordnete Bereich der Laufschaufel ist somit
vor einer durch die Hauptdampfströmung verursachten Tropfenschlagerosion geschützt.
Zudem ist bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Laufschaufel ein besonders belasteter
Übergangsbereich von der Schaufelspitze zur Grundplatte vor der Tropfenschlagerosion
geschützt, wodurch kostspielige bauliche Maßnahmen zur Verstärkung dieses Übergangsbereichs
nicht vorgenommen werden müssen.
[0008] Die Schildplatte ist bevorzugt in einem Axialabstand zur Schaufelvorderkante luvseitig
derselben angeordnet, wodurch die axiale Erstreckung der Grundplatte und somit die
axiale Dichtungsbreite der Deckplatte groß ist. Eine im Betrieb der zugehörigen Dampfturbine
an der Laufschaufel sich einstellende Dampfleckage ist dadurch minimiert, wodurch
der Wirkungsgrad der Dampfturbine verbessert ist.
[0009] Die Schildplatte ist bevorzugt in ihrer radialen Erstreckung derart ausgebildet,
dass ein sich im Betrieb der Dampfturbine leerseitig im Windschatten der Schildplatte
ausbildender Totwasserbereich axial entlang der gesamten Grundplatte sich erstreckt.
Der Totwasserbereich ist insbesondere rezirkulierend ausgebildet und die Hauptdampfströmung
hat keinen direkten Kontakt mit der Grundplatte entlang des Totwasserbereichs, so
dass sich durch die Radiallage der Innenkante der Schildplatte ein strömungsmechanisch
effektiver Steigungswinkel der Deckplatte ergibt. Da also die Deckplattenunterseite
die Hauptdampfströmung nicht direkt führt, braucht die Deckplattenunterseite von der
Hauptdampfströmung nicht entsprechend kontaktiert zu sein. Dadurch braucht bei der
Konstruktion der Deckplatte lediglich auf Festigkeitsanforderungen Rücksicht genommen
werden, wodurch die Deckplatte leichter verglichen mit einer herkömmlichen Konstruktion
ausgeführt ist und somit an der Schaufelspitze eine geringere Fliehkraftbelastung
auftritt. Ferner ist bevorzugt die Schildplatte derart konstruiert, dass der Totwasserbereich
während einer Umströmung der Laufschaufel kontinuierlich erhalten bleibt und nicht
etwa eine instationäre Wirbelablösung von der Schildplatte stattfinden kann. Somit
ist sichergestellt, dass der Übergangsbereich von der Schaufelspitze zur Grundplatte
während des gesamten Betriebs der Dampfturbine vor der Tropfenschlagerosion geschützt
ist. Ferner ist ein Auftreten von durch Wirbelablösung verursachten Schwingungen verhindert.
[0010] Die Schaufelspitze ist bevorzugt zwischen der Schildplatte und der Grundplatte mit
einem erosionsresistenten Schutzmaterial bedeckt, so dass die Schaufelspitze im Bereich
der Schaufelvorderkante vor einer Tropfenschlagerosion geschützt ist. Das Schutzmaterial
ist dazu handschuhartig über die Laufschaufelbereiche gezogen, die es schützen soll,
beispielsweise über Bereiche der Schaufelspitze und/oder der Grundplatte und/oder
der Schildplatte. Das Schutzmaterial kann zudem im Zuge von Wartung- bzw. Inspektionsarbeiten
ausgetauscht werden. Als Folge daraus ergibt sich, dass das Schutzmaterial in seiner
Haltbarkeit nur so gebildet zu sein braucht, wie es durch die vorgesehenen Wartungs-
bzw. Inspektionsintervalle vorgegeben ist. Ferner kann mit der Formgebung des Schutzmaterials
die Umströmung der Deckplatte günstig beeinflusst werden. So ist bevorzugtermaßen
die Schaufelspitze zwischen der Schildplatte und der Grundplatte derart mit dem erosionsresistenten
Schutzmaterial bedeckt, dass die Schildplatte an der Radialinnenkante von der Hauptdampfströmung
ablösefrei umströmbar ist. Bevorzugt ist es ferner, dass die Schaufelvorderkante mit
dem erosionsresistenten Schutzmaterial bedeckt ist, wodurch die Schaufelvorderkante
vor einer Tropfenschlagerosion geschützt ist.
[0011] Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Laufschaufel
anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laufschaufel mit einer Deckplatte,
die eine Schildplatte und eine Grundplatte aufweist,
Fig. 2 bis 4 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laufschaufel, bei der
die Schaufelspitze mit einem erosionsfesten Schutzmaterial bedeckt ist, und
Fig. 5 eine herkömmliche Laufschaufel mit einem Deckband.
[0012] In den Fig. 1 bis 4 ist eine Laufschaufel 1 für eine Dampfturbine gezeigt. Die Laufschaufel
1 umfasst ein Schaufelblatt 2, das eine Schaufelvorderkante 3 und eine Schaufelspitze
4 aufweist, sowie eine Deckplatte 5. Die Deckplatte 5 umfasst eine Schildplatte 6
und eine Grundplatte 7, mit der die Deckplatte 5 an der Schaufelspitze 4 angebracht
ist. Die Grundplatte 7 ist im Einbauzustand im Wesentlichen parallel zu einer Maschinenachse
8 der Dampfturbine ausgerichtet. An der Grundplatte 7 ist radial nach innen vorstehend
die Schildplatte 6 ausgebildet, die zudem von der Schaufelvorderkante 3 im Abstand
angeordnet ist. Die Deckplatte 5 weist ferner mehrere Dichtspitzen 9 zum Abdichten
eines Spalts zwischen der Grundplatte 7 und einem Dampfturbinengehäuse 10 auf.
[0013] Die in Fig. 1 dargestellte Laufschaufel 1 wird mit einer Hauptdampfströmung, dargestellt
durch die Pfeile 11, beaufschlagt, die das Schaufelblatt 2 und die Deckplatte 5 umströmt.
An einer Radialinnenkante 12 der Schildplatte 6 reißt die Hauptdampfströmung ab, wodurch
sich leeseitig der Schildplatte 6 ein Totwasserbereich 13 ausbildet, der sich axial
entlang der Grundplatte 7 erstreckt. Der Totwasserbereich 13 ist an einem Übergangsbereich
14 zwischen der Schaufelspitze 4 und der Grundplatte 7 angeordnet.
[0014] Der Totwasserbereich 13 wird von einem Wirbel 15 gebildet, von dem die Hauptdampfströmung
geführt wird. Der Wirbel 15 definiert den strömungsmechanisch effektiven Steigungswinkel
16 der Deckplatte 5, der durch die Konstruktion der Schildplatte 6 vorherbestimmt
ist. Da der Steigungswinkel 16 von der Lage der radial innenliegenden Kante der Schildplatte
6 und nicht von der laufschaufelseitigen Kontur der Grundplatte 7 abhängt, ist die
Grundplatte 7 plattenartig und dadurch leichtgewichtig gebaut. Die Grundplatte 7 kann
daher in ihrer Axialerstreckung lang ausgebildet sein ohne die Laufschaufel 1 unzulässig
hoch mechanisch zu belasten. Aufgrund der großen Axialerstreckung der Grundplatte
7 können zusätzliche Dichtspitzen 9 an der Grundplatte 7 vorgesehen werden, wodurch
die Dichteffizienz der Deckplatte 5 erhöht und somit der thermodynamische Wirkungsgrad
der zugehörigen Dampfturbine gesteigert ist.
[0015] Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Laufschaufel 1, die mit einem erosionsresistenten
Schutzmaterial 17 versehen ist. Das Schutzmaterial 17 ist im Bereich der Schaufelspitze
4 zwischen der Schildplatte 6 und der Grundplatte 7 angebracht und schützt den durch
Tropfenschlagerosion besonders gefährdeten Übergangsbereich 14 und Teile der Schaufelvorderkante
3. Das Schutzmaterial 17 ist zudem derart gebildet, dass es im Zuge von Wartungs-
und
Inspektionsarbeiten einfach gewechselt werden kann. In Fig. 3 ist das Schutzmaterial
17 an der Schaufelvorderkante 3 angebracht, wodurch dieser Bereich vor Tropfenschlagerosion
geschützt ist. Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Laufschaufel 1 mit
dem angebrachten Schutzmaterial 17. Aufgrund der Formgebung des Schutzmaterials 17
ist die Umströmung der Laufschaufel 1 günstig beeinflusst, wodurch der Übergangsbereich
14 geschützt ist. Ferner ist das Schutzmaterial 17 an den besonders beanspruchten
Bereichen von der Schildplatte 6 vor Tropfenschlag geschützt, wodurch die Intervalle
zum Wechseln des Schutzmaterials 17 lang sind.
[0016] Fig. 5 zeigt demgegenüber eine Laufschaufel 101 für eine Dampfturbine nach dem Stand
der Technik. Eine Hauptdampfströmung, dargestellt durch die Pfeile 102, wird im Bereich
einer Schaufelspitze 103 der Laufschaufel 101 mittels eines Deckbands 104 geführt.
Das Deckband 104 muss dementsprechend konturiert ausgebildet sein, um an seiner laufschaufelseitigen
Kontur 105 die Hauptdampfströmung führen zu können und an seiner dem Dampfturbinengehäuse
(nicht dargestellt) zugewandten Seite den Spalt mittels Dichtspitzen 106 zu verschließen.
Die Masse des Deckbands 104 ist aufgrund dieser Konstruktion derart groß verglichen
mit der Masse der erfindungsgemäßen Deckplatte 5, dass die axiale Erstreckung des
Deckbands 104 kurz gehalten werden muss. Es können in der Folge nur noch wenige Dichtspitzen
106 auf dem Deckband 104 vorgesehen werden. Dies beeinträchtigt die Dichteffizienz
des Deckbands 104 und somit den thermodynamischen Wirkungsgrad der Dampfturbine.
1. Laufschaufel (1) für eine Dampfturbine, mit einem Schaufelblatt (2), das eine Schaufelvorderkante
(3) und eine Schaufelspitze (4) aufweist, und einer Deckplatte (5), wobei die Deckplatte
(5) eine Grundplatte (7), die an der Schaufelspitze (4) des Schaufelblatts (2) angebracht
und im Wesentlichen parallel zur Maschinenachse (8) der Dampfturbine im Einbauzustand
ist, und eine Schildplatte (6) aufweist, die stromauf der Schaufelvorderkante (3)
an der Grundplatte (7) und von dieser radial nach innen vorstehend ausgebildet ist,
so dass die Schaufelspitze (4) mit ihrem Bereich der Schaufelvorderkante (3) im Windschatten
der Schildplatte (6) liegt, wenn die Laufschaufel (1) von einer Hauptdampfströmung
der Dampfturbine angeströmt ist.
2. Laufschaufel gemäß Anspruch 1,
wobei die Schildplatte (6) in einem Axialabstand zur Schaufelvorderkante (3) luvseitig
derselben angeordnet ist.
3. Laufschaufel gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei die Schildplatte (6) in ihrer radialen Erstreckung derart ausgebildet ist, dass
ein sich im Betrieb der Dampfturbine leeseitig im Windschatten der Schildplatte (6)
ausbildender Totwasserbereich (13) axial entlang der gesamten Grundplatte (7) sich
erstreckt.
4. Laufschaufel gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei die Schaufelspitze (4) zwischen der Schildplatte (6) und der Grundplatte (7)
mit einem erosionsresistenten Schutzmaterial (17) bedeckt ist, so dass die Schaufelspitze
(4) im Bereich der Schaufelvorderkante (3) vor einer Tropfenschlagerosion geschützt
ist.
5. Laufschaufel gemäß Anspruch 4,
wobei die Schaufelspitze (4) zwischen der Schildplatte (6) und der Grundplatte (7)
derart mit dem erosionsresistenten Schutzmaterial (17) bedeckt ist, dass die Schildplatte
(6) an der Radialinnenkante (12) von der Hauptdampfströmung ablösefrei umströmbar
ist.
6. Laufschaufel gemäß Anspruch 4 oder 5,
wobei die Schaufelvorderkante (3) derart mit dem erosionsresistenten Schutzmaterial
(17) bedeckt ist, dass die gesamte Schaufelvorderkante (3) vor einer Tropfenschlagerosion
geschützt ist.