[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Laufschaufel
für eine Dampfturbine, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel.
Stand der Technik
[0002] Bekannte Turbinenschaufeln werden üblicherweise hohl oder massiv aus einem metallischen
Werkstoff wie beispielsweise Stahl oder Titan hergestellt, und werden beispielsweise
für Dampfturbinen benötigt. Bei einer Dampfturbine wird die thermische Energie von
der Turbine zugeführtem Dampf in mechanische Arbeit umgewandelt. Dampfturbinen umfassen
hierfür wenigstens einen hochdruckseitigen Dampfeinlass und wenigstens einen niederdruckseitigen
Dampfauslass. Eine sich durch die Turbine hindurch erstreckende Welle, der so genannte
Turbinenläufer, wird mit Hilfe von Turbinenschaufeln angetrieben. Durch eine Kopplung
des Läufers mit einem elektrischen Generator ermöglicht eine Dampfturbine beispielsweise
die Erzeugung von elektrischer Energie.
[0003] Zum Antreiben des Läufers sind typischerweise Laufschaufeln und Leitschaufeln vorgesehen,
wobei die Laufschaufeln am Läufer befestigt sind und mit diesem rotieren, wohingegen
die Leitschaufeln zumeist feststehend an einem Turbinengehäuse angeordnet sind. Die
Leitschaufeln sorgen für eine günstige Strömungsführung des Dampfes durch die Turbine,
um eine möglichst effiziente Energieumsetzung zu erzielen. Bei dieser Umsetzung reduziert
sich im Verlauf zwischen Dampfeinlass und Dampfauslass die Enthalpie des Dampfes.
Hierbei verringert sich sowohl die Temperatur als auch der Druck des Dampfes.
[0004] Aus Effizienzgründen ist eine möglichst hohe Enthalpiedifferenz zwischen zugeführtem
und auszulassendem Dampf aus einer so genannten Endstufe der Dampfturbine anzustreben.
In dieser Hinsicht ist ein relativ geringer Druck des auszulassenden Dampfes von Vorteil.
Aufgrund des Erreichens des Sattdampfzustandes in einem Niederdruckteil der Turbine
kann sich aus dem Dampf auskondensierte Feuchtigkeit niederschlagen und Wassertropfen
in der Turbine ausbilden. Die rotierenden Laufschaufeln schlagen mit hoher Energie
auf die von der Dampfströmung mitgenommenen Wassertropfen, so dass sie einem entsprechenden
Verschleiß unterliegen.
[0005] Da durch diese Tropfenschlagerosion selbst gehärteter Stahl abgetragen werden kann,
besteht ein hohes Interesse an Turbinenschaufeln, welche der Beanspruchung durch Tropfenschlagerosion
widerstehen können.
[0006] Die Druckschrift
DE 10 2008 061 573 A1 offenbart eine Turbinenschaufel, welche einen Faserverbundwerkstoff aufweist, der
mit einer Schutzschicht versehen ist, die eine höhere Schlagzugzähigkeit aufweist
als der Faserverbundwerkstoff.
[0007] Die Druckschrift
EP 1 780 379 A2 offenbart eine Dampfturbine mit Rotorblättern, welche mit einer hoch hydrophilen
Oberflächenbeschichtung aus Titandioxid beschichtet sind.
[0008] Die Druckschrift
EP 1 844 863 A1 offenbart einen Gegenstand mit einer texturierten Oberfläche, welche in Bezug auf
eine Referenzflüssigkeit einen hohen Kontaktwinkel aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
[0009] Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht daher in einer Turbinenschaufel, mit
einem Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt zumindest teilweise eine superhydrophile
Oberflächenbeschichtung aufweist. Die superhydrophile Oberflächenbeschichtung führt
zu einer kompletten Spreitung von Wasser und zur Ausbildung eines dünnen Wasserfilms
über die Oberflächenbeschichtung hinweg, welcher bei einem Auftreffen von Wassertropfen
auf die Turbinenschaufel die Aufprallenergie dissipieren kann und somit vorteilhafterweise
das darunter liegende Schaufelblattmaterial vor Tropfenschlagerosion schützt.
[0010] Gemäß einer Ausführungsform kann das Schaufelblatt vollständig mit der superhydrophilen
Oberflächenbeschichtung überzogen sein. Dies bietet den Vorteil, dass das gesamte
Schaufelblatt gegenüber Tropfenschlagerosion geschützt ist.
[0011] Gemäß einer Ausführungsform kann die superhydrophile Oberflächenbeschichtung Titandioxid,
insbesondere Anatas-Titandioxid, umfassen. Anatas-Titandioxid bietet sehr gute superhydrophile
Eigenschaften, insbesondere weist Anatas-Titandioxid für Wasser einen Kontaktwinkel
von unter 5° auf.
[0012] Erfindungsgemäß umfasst die superhydrophile Oberflächenbeschichtung Titannitrid oder
Titanoxinitrid. Titannitrid weist vorteilhafterweise eine besondere Härte und Korrosionsbeständigkeit
auf, welches die Lebensdauer von Turbinenschaufeln verlängern kann. Dabei können vorteilhafterweise
die relativ schlechten Verschleißeigenschaften durch das Nitrieren verbessert werden.
[0013] Gemäß einer Ausführungsform kann die Schichtdicke der superhydrophilen Oberflächenbeschichtung
zwischen 10 nm bis einige Mikrometer, insbesondere bei Titannitrid, betragen. Mit
dieser Dicke ist die Ausbildung eines zusammenhängenden, fest an der Oberfläche haftenden
ausreichend dicken Wasserfilms zur Dissipierung von kinetischer Energie auftreffender
Wassertropfen besonders gut gewährleistet, ohne dass die Oberflächenbeschichtung zu
Rissbildung neigt. Titanoxid und insbesondere Titannitrid Oberflächen sind stabil.
[0014] Gemäß einer Ausführungsform kann das Schaufelblatt ein Schaufelmaterial aufweisen,
welches gehärteten Stahl oder Titan umfasst. Dies verbessert die mechanischen Eigenschaften
der Turbinenschaufel.
[0015] Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt eine Dampfturbine mit
mindestens einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel.
[0016] Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Herstellen
einer Turbinenschaufel, mit den Schritten des Fertigens eines Schaufelblatts einer
Turbinenschaufel aus gehärtetem Stahl oder Titan, und des Aufbringens einer superhydrophilen
Oberflächenbeschichtung, welche Titannitrid oder Titanoxinitrid umfasst, auf zumindest
einem Teil der Oberfläche des Schaufelblatts.
[0017] Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Erhöhens
der Oberflächenrauigkeit der superhydrophilen Oberflächenbeschichtung aufweisen. Mit
einer erhöhten Oberflächenrauigkeit kann die Wasserfilmdicke in der Oberflächenbeschichtung
vergrößert werden, so dass die Energieabsorptionseigenschaften des Wasserfilms vorteilhafterweise
verbessert werden.
[0018] Weitere Modifikationen und Variationen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen
Ansprüche.
Kurze Beschreibung der Figuren
[0019] Verschiedene Ausführungsformen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden
nun in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben, in denen
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel gemäß einem Aspekt der Erfindung;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel in höherem Detail gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung; und
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Turbinenschaufel
gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zeigt.
[0020] Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll,
beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen
und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen
von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale
der Erfindung.
[0021] Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen
der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang
mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere
Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die
Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu
zueinander gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder ähnlich wirkende
Komponenten.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0022] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel 100. Die Turbinenschaufel
100 umfasst einen Schaufelfuß 4 und ein Schaufelblatt 1. Die Turbinenschaufel 100
kann beispielsweise in einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine verwendet werden.
Dazu kann der Schaufelfuß 4 Steckverbinder 5 aufweisen, mithilfe denen die Turbinenschaufel
100 am Rotor der Dampfturbine angebracht werden kann.
[0023] Das Schaufelblatt 1 kann ein Schaufelmaterial 2 aufweisen, welches zum Beispiel gehärteten
Stahl, Titan oder ein sonstiges korrosionsbeständiges Material aufweist. Es kann auch
möglich sein, dass das Schaufelblatt 1 ein Kompositmaterial oder einen Verbundwerkstoff
aufweist.
[0024] Das Schaufelblatt 1 kann zumindest bereichsweise mit einer Schutzschicht beschichtet
sein. Die Schutzschicht kann zur Verringerung der Auswirkungen von Tropfenerosion
dienen. In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Turbinenschaufel 100 in Fig.
1 in höherem Detail in Schnittansicht gezeigt. Dabei ist das Schaufelmaterial 2 mit
einer Oberflächenbeschichtung 3 versehen. Die Oberflächenbeschichtung 3 kann beispielsweise
eine Schichtdicke von etwa 10 nm bis einige Mikrometer, insbesondere 20 nm bis 80
nm, insbesondere 40 nm bis 60 nm, insbesondere etwa 50 nm aufweisen.
[0025] Die Oberflächenbeschichtung 3 kann superhydrophil sein, das heißt, dass der Benetzungswinkel,
den ein Flüssigkeitstropfen mit der Oberflächentangente der Oberflächenbeschichtung
3 ausbildet, sehr gering ist. Beispielhaft sind in Fig. 2 zwei Wassertropfen 6a und
6b gezeigt, welche auf der Oberflächenbeschichtung 3 aufliegen. Der Wassertropfen
6a stellt einen Wassertropfen dar, direkt nachdem er mit der Oberflächenbeschichtung
3 in Kontakt gekommen ist. Der Winkel 7a, den der Wassertropfen 6a mit der Oberflächentangente
der Oberflächenbeschichtung 3 ausbildet, ist dabei sehr hoch, beispielsweise zwischen
75° und 105°.
[0026] Mithilfe der Young'schen Gleichung lässt sich die Benetzungsspannung B der Oberflächenbeschichtung
3 über die Grenzflächenspannung g zwischen dem Wassertropfen 6a und Oberflächenbeschichtung
3 und den Kontaktwinkel w ausdrücken:
[0027] Das Vorzeichen der Benetzungsspannung B lässt dabei Rückschlüsse auf das Spreitungs-
bzw. Benetzungsverhalten von Wassertropfen auf der Oberflächenbeschichtung 3 zu. Je
größer die Benetzungsspannung B ist, desto geringer ist der Kontaktwinkel w und desto
flacher verschmilzt der Wassertropfen mit der Oberflächenbeschichtung 3.
[0028] Der Wassertropfen 6b steht dabei beispielhaft für einen Wassertropfen auf einer superhydrophilen
Oberflächenbeschichtung 3, also einer Oberflächenbeschichtung 3, welche zu einer nahezu
vollständigen Spreitung des Wassertropfens 6b auf der Oberfläche der Oberflächenbeschichtung
3 führt. Der Kontaktwinkel 7b für den Wassertropfen 6b ist dabei sehr gering und liegt
vorzugsweise zwischen 0° und 5°.
[0029] Bereits bei einer geringen Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Schaufelblatts 1 führt
eine superhydrophile Oberflächenbeschichtung 3 zu einer Ausbildung eines dünnen Wasserfilms
an der Oberfläche. Der Wasserfilm bleibt bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von
über 20% auch bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten der Turbinenschaufel 100, beispielsweise
bei hohen Drehzahlen, erhalten.
[0030] Treffen nun Wassertropfen mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise etwa 500 m/s,
auf die superhydrophile Oberflächenbeschichtung 3, wird die Aufprallenergie über den
flüssigen Wasserfilm dissipiert. Dadurch wird das darunter liegende Schaufelblattmaterial
2 effektiv vor Tropfenschlagerosion geschützt.
[0031] Die Dicke des Wasserfilms kann durch eine Erhöhung der Oberflächenrauigkeit der superhydrophilen
Oberflächenbeschichtung 3 weiter verbessert werden. Dies kann beispielsweise durch
eine selektive Oberflächenoxidation oder eine mechanische Aufrauung der Oberfläche
erreicht werden.
[0032] Die superhydrophile Oberflächenbeschichtung 3 kann beispielsweise Titandioxid umfassen.
Vorteilhafterweise kann das Titandioxid in Anatas-Konfiguration vorliegen. Alternativ
kann auch eine Rutil-Konfiguration für das Titandioxid geeignet sein. Die superhydrophile
Oberflächenbeschichtung 3 kann beispielsweise auch Titannitrid umfassen. Es kann auch
möglich sein, Nanopartikel aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Zirkonoxid
oder Titanoxid in der Oberflächenbeschichtung 3 vorzusehen. Die Nanopartikel können
dafür sorgen, dass beim Aufprall von Tropfen die Aufprallenergie von der Oberflächenbeschichtung
3 aufgenommen und über die Oberflächenbeschichtung 3 verteilt werden kann. Die Nanopartikel
werden beim Aufschlag der Tropfen in Schwingungen versetzt, wodurch Aufschlagenergie
in Schwingungs- und zuletzt Reibungsenergie umgesetzt wird.
[0033] Bei der Verwendung Titannitrid werden etwa 1 bis 3 µm dicke Titannitridschichten
erzeugt, beispielsweise durch Plasmanitrieren bei etwa 700°C. Die dadurch entstehende
Oberflächenhärte ist größer als 1000HV 0,5. Die Titannitridschicht bildet sich aus
dem Grundwerkstoff und platzt deshalb nicht ab. Da nur das Randgefüge verändert wird,
und keine Gefügeumwandlungen im Kernwerkstoff auftreten, ist das Nitrieren und Nitrocarburieren
ein sehr verzugsarmes Wärmebehandlungsverfahren. Die Ausscheidung von Nitriden (Epsilon-Nitrid)
in der inneren arteigenen Randschicht führt zu einer Steigerung der Festigkeit und
zum Aufbau von Druckeigenspannungen.
[0034] Durch Nachbehandlung kann eine Titanoxidschicht erzeugt werden. Eine Titanoxidschicht
kann das Korrosionsverhalten und das Einlaufverhalten weiter verbessern. Titannitrid-Oberflächen
können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden, beispielsweise über einen Pulsplasmanitrierprozess
bei etwa 500 bis 700°C mit einer Dauer von etwa 12 Stunden unter einem definierte
Stickstoffpotential, oder über Nitrocarburieren, das heißt, ein thermochemisches Verfahren
zum Anreichern der Randschicht eines Werkstücks oder Bauteils mit Stickstoff und Kohlenstoff
bei einer Temperatur von etwa 550 bis 580°C mit einer Dauer zwischen etwa 1 und 10
Stunden.
[0035] Besonders vorteilhaft kann eine leicht aufgeraute Titanoberfläche mit Ra < 1 µm sein,
die anschließend nitridiert wird. In diesem Fall wird ähnlich wie bei Titandioxidoberflächen
eine totale Benetzung mit einer harten Oberflächenschicht aus Titannitrid erhalten.
Ähnliche starke Benetzungen von Wassertropfen werden auch mit Titanoxinitridschichten
erhalten. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 10 zum Herstellen
einer Turbinenschaufel, insbesondere der Turbinenschaufel 100 in Fig. 1 und 2. Das
Verfahren 10 umfasst als ersten Schritt 11 das Fertigen eines Schaufelblatts einer
Turbinenschaufel aus gehärtetem Stahl oder Titan. In einem zweiten Schritt 12 erfolgt
ein Aufbringen einer superhydrophilen Oberflächenbeschichtung auf zumindest einem
Teil der Oberfläche des Schaufelblatts. Vorteilhafterweise kann in einem dritten Schritt
13 ein Erhöhen der Oberflächenrauigkeit der superhydrophilen Oberflächenbeschichtung
erfolgen.
1. Turbinenschaufel (100), mit:
einem Schaufelblatt (1),
wobei
das Schaufelblatt (1) zumindest teilweise eine superhydrophile Oberflächenbeschichtung
(3) aufweist, und
wobei die superhydrophile Oberflächenbeschichtung (3) Titannitrid oder Titanoxinitrid
umfasst.
2. Turbinenschaufel (100) nach Anspruch 1, wobei das Schaufelblatt (1) vollständig mit
der superhydrophilen Oberflächenbeschichtung (3) überzogen ist.
3. Turbinenschaufel (100) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die superhydrophile
Oberflächenbeschichtung (3) Titandioxid, insbesondere Anatas-Titandioxid, umfasst.
4. Turbinenschaufel (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schichtdicke der
superhydrophilen Oberflächenbeschichtung (3) zwischen 10 nm und 100 nm beträgt.
5. Turbinenschaufel (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Schaufelblatt (1)
ein Schaufelmaterial (2) aufweist, welches gehärteten Stahl oder Titan umfasst.
6. Dampfturbine, mit mindestens einer Turbinenschaufel (100) nach einem der Ansprüche
1 bis 5.
7. Verfahren (10) zum Herstellen einer Turbinenschaufel (100), mit den Schritten:
Fertigen (11) eines Schaufelblatts (1) einer Turbinenschaufel aus gehärtetem Stahl
oder Titan; und
Aufbringen (12) einer superhydrophilen Oberflächenbeschichtung (3), welche Titannitrid
oder Titanoxinitrid umfasst, auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Schaufelblatts
(1).
8. Verfahren (10) nach Anspruch 7, weiterhin mit dem Schritt:
Erhöhen der Oberflächenrauigkeit der superhydrophilen Oberflächenbeschichtung (3).