[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Strömungsmaschine, wobei die Schaufel
ein Schaufelblatt aufweist, wobei auf der Schaufelblattoberfläche eine Schutzschicht
umfassend eine Matrix und einen Hartstoff angeordnet ist.
[0002] Unter der Bezeichnung Strömungsmaschinen werden Wasserturbinen, Dampf- und Gasturbinen,
Windräder, Kreiselpumpen und Kreiselverdichter sowie Propeller zusammengefasst. 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.
[0003] Bei Dampfturbinen als Ausführungsform einer Strömungsmaschine, bildet die Tropfenschlagerosion
ein unerwünschtes Phänomen. Die Tropfenschlagerosion kann an den Eintrittskanten der
Laufschaufeln auftreten. Im Dampfstrom bei Dampfturbinen können sich unter Umständen
Nebeltröpfchen bilden, die von den Leitschaufeln eingefangen und gesammelt werden.
Diese Nebeltröpfchen können zu vergleichsweise großen Wassertropfen heranwachsen und
schließlich von der Abströmkante der Leitschaufel abreißen. Aufgrund ihrer hohen kinetischen
Energie führen diese Wassertropfen vorzugsweise an den Laufschaufeleintrittskanten
zu der sogenannten Tropfenschlagerosion, bei der die Oberfläche der Laufschaufeleintrittskante
durch Materialabtragung beschädigt wird. Die Tropfen weisen hierbei einen Durchmesser
in der Größenordnung von 50µm bis 400µm auf. Wesentlich kleinere Tropfen sind harmlos
und größere kommen nicht vor.
[0004] Es sind verschiedene Maßnahmen vorhanden, die eine Tropfenschlagerosion vermeiden
sollen. So ist es beispielsweise bekannt, die auf den Leitschaufeln heranwachsenden
Wassertröpfchen abzusaugen.
[0005] Des Weiteren ist es bekannt, die Laufschaufeleintrittskanten mit einer Schutzschicht
zu versehen. Es ist ebenso bekannt die Laufschaufeleintrittskanten zu härten, damit
eine Materialabtragung vermieden wird.
[0006] Die
US 6,670,049 A offenbart eine Schaufel für eine Strömungsmaschine, wobei die Schaufel ein Schaufelblatt
aufweist, wobei auf der Schaufelblattoberfläche eine Schutzschicht umfassend eine
Matrix und einen Hartstoff angeordnet ist.
[0007] Wünschenswert wäre es Tropfenschlagerosion durch eine effektive Schutzschicht zu
vermeiden. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist eine wirksame
Schutzschicht auf einer Schaufel auszubilden, um die Tropfenschlagerosion zu vermeiden.
[0008] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaufel für eine Strömungsmaschine, wobei die
Schaufel ein Schaufelblatt aufweist, wobei auf der Schaufelblattoberfläche eine Schutzschicht
umfassend eine Matrix und einen Hartstoff angeordnet ist, wobei mehrere aus dem Hartstoff
gebildete Platten derart in der Matrix angeordnet sind, dass die Platten überlappend
zueinander entlang der Schaufelblattoberfläche angeordnet sind und eine gebogene Form
aufweisen.
[0009] Somit wird der Weg eingeschlagen, eine Schutzschicht aus im Wesentlichen zwei Bestandteilen
auszubilden, nämlich einer Matrix und einem in dieser Matrix angeordneten Hartstoff.
Dieser Hartstoff ist als Platte ausgebildet und derart in der Matrix angeordnet, dass
die Platten zum einen übereinander und nebeneinander liegen und zum anderen überlappend
zueinander angeordnet sind. Durch die Überlappung wird wirksam verhindert, dass ein
Tropfen der auf diese Schutzschicht fällt höchstens die Matrix durch einen Aufprall
bis zu einer Platte abtragen kann. Da die Platten nebeneinander, übereinander und
dazu noch überlappend zueinander angeordnet sind, kann es höchstens vorkommen, dass
die Materialabtragung der Matrix bis zu einer Platte erfolgt und somit eine weitere
Materialabtragung gestoppt wird. Die unter der Schutzschicht liegende Schaufelblattoberfläche
wird somit gänzlich von den Wassertropfen ferngehalten. Eine Tropfenschlagerosion
ist demnach an der Schaufelblattoberfläche nicht mehr möglich.
[0010] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0011] So ist es vorteilhaft, wenn die Platten im Wesentlichen parallel zur Schaufelblattoberfläche
angeordnet sind. Denkbar sind jegliche Anordnungen der Platten zueinander, die sozusagen
eine blickdichte Anordnung aufweisen. Unter der blickdichten Anordnung ist folgendes
zu verstehen: Eine in Richtung der Schaufelblattoberfläche, d.h. zu einer Flächennormalen,
führenden Blickrichtung wird ein durchgehender Blick auf die Schaufelblattoberfläche
sozusagen verwehrt durch die Anordnung der Platten. Eine im Wesentlichen parallele
Anordnung der Platten zur Schaufelblattoberfläche ist vergleichsweise kostengünstig
herstellbar, da lediglich eine Verschiebung der Platten nebeneinander bzw. übereinander
zu erfolgen hat.
[0012] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Matrix eine metallische Matrix.
Die metallische Matrix kann beispielsweise aus lötbaren einzelnen Metallen (z.B. Kupfer
Cu, Silber Ag, Nickel Ni, Kobalt Co, Zinn Sn, Blei Pb) oder auch aus Legierungen auf
deren Basis bestehen (z.B. Ag-Sn, Cu-Ni, Sn-Cu, Pb-Ag, Ni-Cr).
[0013] Die Matrix soll neben der einfachen Aufnahme der aus Hartstoff gebildeten Platten
auch einen gewissen Schutz vor Tropfenschlagerosion aufweisen. Eine metallische Matrix
bietet einen Schutz vor Tropfenschlagerosion, was zu einer geringeren Materialabtragung
führt.
[0014] Vorteilhafter Weise ist die Schutzschicht als Folie ausgebildet. Eine Folie ist naturgemäß
leicht auf eine nicht ebene Flächen aufzubringen. Die Schaufelblattoberfläche weist
eine in der Regel nicht ebene Geometrie auf. Eine Folie ist in der Regel flexibel
und kann daher leicht auf die Schaufelblattoberfläche angeordnet werden. Vorteilhafter
Weise ist die Matrix ein Lot. Ein Lot besteht meist aus einer Legierung aus verschiedenen
Metallen und wird zum Löten verwendet. Das Lot hat die Eigenschaft, dass der Schmelzpunkt
dieser Legierung niedriger ist als der der einzelnen Metalle. Es sind verschiedene
Materialien für ein Lot im Stand der Technik bekannt. Das Lot muss grundsätzliche
geeignet sein, um an eine Schaufel durch Lötung angeordnet zu werden. Das Lot kann
beispielsweise aus lötbaren einzelnen Metallen (z.B. Kupfer Cu, Silber Ag, Nickel
Ni, Kobalt Co, Zinn Sn, Blei Pb) oder auch aus Legierungen auf deren Basis (z.B. Ag-Sn,
Cu-Ni, Sn-Cu, Pb-Ag, Ni-Cr) bestehen.
[0015] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung besteht der Hartstoff aus einzelnen
harten Metallen bzw. Stählen (z.B. gehärteter Stahl), Metall-Legierungen (z.B. Co-Basis
Legierungen wie "Stellite") oder aus keramischen Werkstoffen (z.B. Karbide wie Wolframkarbid,
Oxide wie Aluminiumoxid, Nitride wie Titannitrid).
[0016] Vorteilhafter Weise weist der Hartstoff eine Härte größer als 400 HV auf.
[0017] Diese Materialien haben sich als besonders vorteilhaft und geeignet für den Einsatz
als Hartschicht erwiesen, die zu Platten geformt werden können und bieten einen hervorragenden
Schutz vor Tropfenschlagerosion.
[0018] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten schematischen
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- eine Querschnittsansicht durch einen Teil der Schaufelblattoberfläche mit einer Schutzschicht
aus einer Matrix und sphärischen Hartstoffen,
- Figur 2
- eine Querschnittsansicht einer nicht zur Erfindung gehörenden Schaufelblattoberfläche
mit einer Schutzschicht aus einer Matrix und einem aus Hartstoff ausgebildete Platten,
- Figur 3
- eine nicht zur Erfindung gehörende teilperspektivische Ansicht der Schutzschicht,
- Figur 4
- eine teilperspektivische Ansicht der Schutzschicht mit einer alternativen Ausführungsform
der Platten.
[0019] Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
[0020] Die Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer Schaufelblattoberfläche
1 und einer Schutzschicht 2. Die Schutzschicht 2 wird auf eine nicht näher dargestellte
Schaufel einer Strömungsmaschine aufgebracht. Eine Strömungsmaschine ist beispielsweise
ein Dampfturbine oder eine Gasturbine. Die Schaufel weist ein mit einem Schaufelblattprofil
geformtes Schaufelblatt auf. Solche Schaufelblätter werden vorzugsweise in Niederdruck-Dampfturbinen
eingesetzt. In Niederdruck-Dampfturbinen bilden sich Tropfen 3 auf den Leitschaufeln
aus. Diese Tropfen 3 treffen mit hoher kinetischer Energie mit einer Aufprallrichtung
3 auf die Schutzschicht 2 auf. In Folge der hohen kinetischen Energie der Tropfen
3 wird aus der Schutzschicht 2 ein Stück Material herausgeschlagen. Zurück bleibt
eine Mulde 5.
[0021] Die in der Figur 1 dargestellte Schutzschicht umfasst eine Matrix 6 und einen in
der Matrix 6 angeordneten Hartstoff 7 auf. Der Hartstoff 7 ist allerdings sphärisch
oder pratzig ausgebildet. Es ist daher möglich, dass zwischen zwei Hartstoffen 7 ein
Abstand herrscht. In solch einem Raum zwischen zwei Hartstoffen 7 können Tropfen 3
die Matrix 6 bis zur Schaufelblattoberfläche 1 abtragen.
[0022] In der Figur 2 ist eine nicht zur Erfindung gehörende Schutzschicht 2 zu sehen. Die
in der Figur 2 dargestellte Schutzschicht 2 weist ebenso die Matrix 6 und einen Hartstoff
7 auf. Der Hartstoff 7 ist hier allerdings in mehrere Platten 10 ausgebildet. Die
Platten 10 sind in der Figur 2 eben und gradlinig. Erfindungsgemäß sind die Platten
10 gebogen ausgeführt. So kann die Form der Platten 10 konkav oder konvex sein. Darüber
hinaus können die Platten derart übereinander gestapelt sein, dass eine Schicht konkaver
Platten über eine Schicht konvexer Platten liegt. Eine konvexe Platte zeichnet sich
dadurch aus, dass zwei Punkte auf der Oberfläche durch eine Gerade miteinander verbunden
werden können, wobei diese Gerade nicht die Platte berührt. Eine konkave Platte zeichnet
sich dadurch aus, dass zwei Punkte auf der Oberfläche durch eine Gerade miteinander
verbunden werden können, wobei diese Gerade die Platte berührt oder sogar durch die
Platte geht. Beispielsweise wäre eine Hufeisenform oder eine U-Form möglich. Allerdings
ist ein als Platte 10 ausgebildeter Hartstoff 7 vergleichsweise schnell und kostengünstig
herstellbar. Die Schutzschicht 2 wird auf die Schaufelblattoberfläche 1 gelötet oder
aufgeschmolzen.
[0023] Die Platten 10 werden dabei derart angeordnet, dass sie zum einen nebeneinander liegen
und zum anderen auch übereinander allerdings versetzt zueinander angeordnet sind.
Daher ist eine Überlappung der Platten 10 möglich. Ein aus der Aufprallrichtung 4
kommender Tropfen 3 kann nunmehr höchstens die Matrix 6 bis zu der Platte 10 abtragen.
Ein Abtragen der Matrix 6 bis zur Schaufelblattoberfläche 1 ist nunmehr nicht mehr
möglich, wegen der Versetzung bzw. Überlappung der Platten 10. In der Figur 2 rechtes
Bild ist eine Momentaufnahme sozusagen dargestellt. Es ist zu sehen, dass die Tropfen
3 die Matrix 6 höchstens bis zur ersten und zweiten Plattenebene 8, 9 abtragen können.
[0024] Die Platten 10 können schräg zur Schaufelblattoberfläche 1 angeordnet sein. Eine
Biegung der Platte 10 ist ebenso möglich. Die Matrix 6 ist eine metallische Matrix.
Die Schutzschicht 2 wird als Folie ausgebildet, d.h. die Schutzschicht 2 wird mit
einer möglichst geringen räumlichen Ausdehnung in der Richtung der Normalen der Schaufelblattoberfläche
1 ausgebildet. Darüber hinaus sollte das Material der Matrix 6 derart gewählt werden,
dass die Schutzschicht 2 flexibel und leicht biegsam ist.
[0025] Die Matrix 6 wird in einer alternativen Ausführungsform aus Lot hergestellt. Mit
diesem Material ist es möglich, die Schutzschicht 2 mittels einer Lötung mit der Schaufelblattoberfläche
1 direkt zu verbinden.
[0026] Der Hartstoff besteht aus einzelnen harten Metallen bzw. Stählen (z.B. gehärteter
Stahl), Metall-Legierungen (z.B. Co-Basis Legierungen wie Stellite) oder aus keramischen
Werkstoffen (z.B. Karbide wie Wolframkarbid, Oxide wie Aluminiumoxid, Nitride wie
Titannitrid).
[0027] Des Weiteren kann die Schutzschicht 2 mittels einer Schmelzung mit der Schaufelblattoberfläche
1 verbunden werden.
[0028] In der Figur 3 ist eine nicht zur Erfindung gehörende perspektivische Ansicht der
Schutzschicht 2 dargestellt. Die Platten 10 sind entlang der Schaufelblattoberfläche
1 nebeneinander und übereinander angeordnet. Die Platten 10 sind dabei überlappend
zueinander angeordnet. Ein aus der Aufprallrichtung 4 kommender Tropfen 3 wird durch
die versetzten übereinander und nebeneinander angeordneten Platten 10 daran gehindert,
auf die Schaufelblattoberfläche 1 zu treffen.
[0029] In der Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht der Schutzschicht 2 dargestellt.
Im Wesentlichen ist der Aufbau der Schutzschicht 2 gemäß Figur 4 dem Aufbau der Schutzschicht
2 gemäß Figur 3 ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass die Platten konkav oder
konvex gekrümmt sind.
1. Schaufel für eine Strömungsmaschine, wobei die Schaufel ein Schaufelblatt aufweist,
wobei auf der Schaufelblattoberfläche (1) eine Schutzschicht (2) umfassend eine Matrix
(6) und einen Hartstoff (7) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere aus dem Hartstoff (7) ausgebildete Platten (10) derart in der Matrix (6)
angeordnet sind, dass die Platten (10) überlappend zueinander entlang der Schaufelblattoberfläche
(1) angeordnet sind und eine gebogene Form aufweisen.
2. Schaufel nach Anspruch 1,
wobei die Platten (10) im Wesentlichen parallel zur Schaufelblattoberfläche (1) angeordnet
sind.
3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Matrix (6) eine metallische Matrix ist.
4. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Schutzschicht (2) als Folie ausgebildet ist.
5. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Matrix (6) ein Lot ist.
6. Schaufel nach Anspruch 5,
wobei die Schutzschicht (2) mittels einer Lötung mit der Schaufelblattoberfläche (1)
verbunden ist.
7. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Schutzschicht (2) mittels einer Schmelzung mit der Schaufelblattoberfläche
(1) verbunden ist.
8. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Hartstoff (7) aus einzelnen harten Metallen bzw. Stählen (z.B. gehärteter
Stahl), Metall-Legierungen (z.B. Co-Basis Legierungen wie "Stellite") oder aus keramischen
Werkstoffen (z.B. Karbide wie Wolframkarbid, Oxide wie Aluminiumoxid, Nitride wie
Titannitrid) besteht.
1. Blade for a turbomachine, the blade having a main blade part,
wherein a protective layer (2) comprising a matrix (6) and a hard material (7) is
arranged on the main blade part surface (1),
characterized
in that a plurality of plates (10) formed from the hard material (7) are arranged in the
matrix (6) in such a manner that the plates (10) are arranged along the main blade
part surface (1) overlapping one another and have an arcuate form.
2. Blade according to Claim 1,
wherein the plates (10) are arranged substantially parallel to the main blade part
surface (1).
3. Blade according to Claim 1 or 2,
wherein the matrix (6) is a metallic matrix.
4. Blade according to one of the preceding claims,
wherein the protective layer (2) is in the form of a foil.
5. Blade according to one of the preceding claims,
wherein the matrix (6) is a solder.
6. Blade according to Claim 5,
wherein the protective layer (2) is connected to the main blade part surface (1) by
means of soldering.
7. Blade according to one of Claims 1 to 5,
wherein the protective layer (2) is connected to the main blade part surface (1) by
means of melting.
8. Blade according to one of the preceding claims,
wherein the hard material (7) consists of individual hard metals or steels (e.g. hardened
steel), metal alloys (e.g. Co-based alloys such as "Stellite alloys") or of ceramic
materials (e.g. carbides such as tungsten carbide, oxides such as aluminium oxide,
nitrides such as titanium nitride).
1. Aube pour une turbomachine, l'aube ayant une lame d'aube, dans laquelle il est disposé
sur la surface (1) de la lame d'aube, une couche (2) de protection comprenant une
matrice (6) et une matière (7) dure,
caractérisé
en ce que plusieurs plaques (10) en la matière (7) dure sont disposées dans la matrice (6)
de manière à ce que les plaques (10) se chevauchent l'une l'autre le long de la surface
(1) de la lame d'aube et aient une forme courbée.
2. Aube suivant la revendication 1, dans laquelle les plaques (10) sont disposées sensiblement
parallèlement à la surface (1) de la lame d'aube.
3. Aube suivant la revendication 1 ou 2, dans laquelle la matrice (6) est une matrice
métallique.
4. Aube suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche (2) de protection est constituée sous la forme d'une feuille.
5. Aube suivant l'une des revendications précédentes, dans laquelle la matrice (6) est
une brasure.
6. Aube suivant la revendication 5, dans laquelle la couche (2) de protection est reliée
à la surface (1) de la lame d'aube au moyen d'une brasure.
7. Aube suivant l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle la couche (2) de protection
est reliée à la surface (1) de la lame d'aube au moyen d'une masse fondue.
8. Aube suivant l'une des revendications précédentes, dans laquelle la matière (7) dure
est en métaux ou aciers durs individuels (par exemple en acier trempé), en alliages
de métaux (par exemple alliages à base de Co comme « stellite ») ou en matériaux céramiques
(par exemple en carbures, comme en carbure de tungstène, en oxydes, comme en oxyde
d'aluminium, en nitrures, comme en nitrure de titane).