WO2012038217A1 - Turbine blade comprising a ceramic anti-erosion layer for a low-pressure stage of a steam turbine - Google Patents

Turbine blade comprising a ceramic anti-erosion layer for a low-pressure stage of a steam turbine Download PDF

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WO2012038217A1
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erosion
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ceramic layer
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Tim Neuberg
Andreas Keberer
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    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/90—Coating; Surface treatment

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade for the low pressure stage ⁇ a steam turbine according to the preamble of Pa ⁇ tent wraps.
  • the turbine blades for the low pressure stage are at least partially provided with an erosion protection layer.
  • the erosion protection layer is often applied in the application or lamination of hard metal plates at the most vulnerable points of the turbine.
  • the leading edge of the turbine blade is particularly at risk here, because essentially the drops strike here, as well as the trailing edge of the turbine due to the drag effect.
  • the hard metal plates that are commonly used provide adequate drop impact erosion protection, they have the disadvantage that they must be attached to the turbine blade as a thick plate. To this end, the turbine blade must be designed so that the Hartme ⁇ tallplatten embedded in the turbine blade, so that the flow profile of the turbine blade no negative effect is flowing.
  • the hard metal plates also contribute to the weight increase of the turbine blades. This is disadvantageous especially in the case of the large diameters of today's low-pressure stages, since this increases the tensile stress on the turbine blade, especially on the blade root.
  • Object of the present invention can be a turbine blade for a low pressure stage of a steam turbine be ⁇ riding determine who is a good protection against Tropfenschlagero sion, and at the same time does not significantly increase the weight of the turbine blade and the turbine profile largely unaffected.
  • the turbine blade according to the invention for a low-pressure ⁇ stage of a steam turbine wherein said turbine blade is at least partially provided with an erosion-resistant layer against drop impact ⁇ erosion, characterized by the fact that the erosion layer is a ceramic layer.
  • Ceramic has the advantage that it can be very thinly onto the turbine blade ⁇ done and already in a few ⁇ -meters an enormous hardness and thus has a good protection against drop impact erosion. Due to the very thin ceramic layer, the profile of the turbine blades is not changed. Thus, a ceramic layer can also be subsequently applied to already in use turbine blades. A special consideration in the design and manufacture of the turbine blades is not necessary.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the ceramic layer at least in the flow direction at the front edge and / or the trailing edge of the turbine blade on wear is.
  • the turbine blade of a low pressure stage un ⁇ terliegt a particularly strong erosion strain by droplet impact erosion of the leading edge and by dragging action on the trailing edge of the turbine.
  • By attaching a ceramic layer in these areas the life of the turbine blade is significantly reduced.
  • the remaining preparation ⁇ che of the turbine blade are subject to a significantly low ⁇ ren load and can do without an erosion-resistant layer therefore may.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the turbine blade at least partially consists of a fiber composite.
  • the fiber composite material has the advantage that in this way it can be ⁇ considerably reduces the weight of the turbine blade. Thereby, the stress of the turbine blade, particularly at the blade root ver ⁇ Ringert, whereby the diameter and thus the Absström design the low pressure stage can be increased. As a result, as ⁇ the efficiency of the steam turbine is increased.
  • a particular advantageous embodiment of the invention provides that at least the regions of the turbine blade which consist of fiber composite material, a ceramic layer aufwei ⁇ sen.
  • the fiber composite material has the great disadvantage that it is not resistant to drop impact erosion.
  • a ceramic layer as an anti-erosion layer, the fiber composite material can be made insensitive to drop impact erosion, whereby it can then be used without restriction as a material for the turbine blade.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the ceramic layer is applied to the turbine blade by chemical vapor deposition (CVD) by physical vapor deposition (PVD) or by thermal spraying.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • thermal spraying These three coating methods have the great advantage that they only very much the component to be coated low thermal stress. As a result, these methods are particularly suitable for coating Faserverbundtechnikstof fen with ceramic.
  • Fiber composite material is only to a low degree thermally stable.
  • the turbine blade according to the invention for a low-pressure ⁇ stage of a steam turbine with an erosion-resistant layer made of ceramic thus offers the advantage that it helps because of their very small thickness no significant increase in the weight of the turbine blade and does not change the Strö ⁇ tion profile of the turbine blade. Gleichzei ⁇ tig the ceramic layer provides an extraordinarily high re ⁇ consistency against drop impact erosion, thereby increasing the life of the turbine blade. Since the ceramic layer can be applied by methods which no significant thermal effect on the material to be coated ha ⁇ ben, also fiber-reinforced composites can be formed with a very resistant ceramic layer for the first time. To improve the adhesion of the ceramic layer to the turbine blade, an additional adhesive layer may be applied between the turbine blade and the ceramic layer.
  • the single FIGURE shows a radial section through an inven tion modern turbine blade for the low pressure stage of a steam turbine.
  • the figure shows the turbine blade according to the invention only schematically. The actual geometry of the turbine blade is not reproduced.
  • the figure shows a turbine blade 1 which is suitable for Nie ⁇ derdrucklane a steam turbine.
  • the turbine blade 1 consists of a fiber composite material and has an erosion layer 2 in the flow direction 5 at the front edge 3 as well as at the trailing edge. 4
  • the leading edge 3 is subject to a particularly high drop impact load.
  • the trailing edge 4 is also susceptible to wear due to the drag effect of the flow.
  • the erosion layer 2 is formed of a particularly resistant ceramic. The ceramic is applied as a very thin ceramic ⁇ layer 2 on the erosion-prone areas of the turbine blade 1.
  • Ver ⁇ drive are preferably used, which represent only a small thermal Belas ⁇ tion for the material to be coated.
  • a low heat input is basically independent of the material used turbine blade, since too high a heat input would lead to a change in the lattice structure or a distortion of the blade profile even with metal blades. In the case of turbine blades which consist wholly or partly of a fiber composite material, there would continue to be a risk that the fiber composite material would be damaged or completely destroyed.
  • the chemical gas ⁇ phase cut-off - in English, chemical vapor deposition - represents the case of chemical gas phase cut is on a heated surface of a substrate due to a surface ⁇ mix reaction from the gas phase. deposited a solid component. The solid component then initiates a reaction on the surface to be coated on the workpiece. At least one gaseous starting compound and at least two reaction products, at least one of which in the solid phase must be involved in the reaction.
  • the advantage of chemical vapor phase shutdown is that the coating is also possible on complex three-dimensionally shaped surfaces. The layer thickness is only a few 100 ⁇ -meters.
  • PVD physical vapor shutdown
  • the term PVD is understood to mean a group of vacuum-based coating processes.
  • the layers are formed directly by condensation of the coating material. For this purpose, first the layer-forming particles are evaporated, then the steam is passed over the material to be coated, in this case the turbine blade, and condenses there, whereby the erosion protection layer is formed.
  • a third particularly suitable method for producing the ceramic layer as an erosion layer for the turbine blade is thermal spraying.
  • the coating material in this case the ceramic
  • the coating material is first melted and then accelerated in a gas stream and onto the surface of the component to be coated. ie the turbine blade sprayed.
  • al ⁇ lerdings is not melted the turbine blade surface and chemically loaded only to a small extent.
  • the shift -making takes place by adhering the sprayed particles during the on ⁇ impinge on the component surface mechanically to the Oberflä ⁇ surface and in layers takes place a layer structure. Due to the low thermal load, the fiber composite material is not damaged even when Verwen ⁇ tion of fiber composite material for the turbine blade.
  • the methods are also suitable for providing the entire turbine blade with a thin ceramic layer. Due to the very ge ⁇ wrestle layer thickness, the layer contributes only marginally contribute to ei ⁇ ner increase in weight of the turbine blade.
  • the thin layer has, as already described the additional advantage that it results in no change of the flow profile of the door ⁇ binenschaufel and thus also is suitable ⁇ introduced subsequently installed on the turbine blades already in use to be. This can he ⁇ for example, follow the service.
  • the ceramic material in particular silicon ⁇ Carbide seal is suitable because it is very hard and thermally and chemically resistant.
  • a significant advantage of the ceramic layer consists zusharm ⁇ Lich the insensitivity to corrosion. Especially in the wet steam range of steam turbines, the corrosion resistance is an important feature.

Abstract

The invention relates to a turbine blade (1) for the low-pressure stage of a steam turbine, wherein the turbine blade (1) is at least partially made of a fibre composite material and is provided at these areas with an anti-erosion layer (2) to protect against droplet impact erosion. The anti-erosion layer (2) consists of a ceramic layer and is particularly resistant to droplet impact erosion.

Description

Beschreibung description
TURBINENSCHAUFEL MIT KERAMISCHER EROSIONSSCHUTZSCHICHT FÜR EINE NIEDERDRUCKSTUFE EINER DAMPFTURBINE Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für die Nieder¬ druckstufe einer Dampfturbine nach dem Oberbegriff des Pa¬ tentanspruchs 1. TURBINE BLADE WITH CERAMIC erosion-resistant layer for a low-pressure stage of a steam turbine, the invention relates to a turbine blade for the low pressure stage ¬ a steam turbine according to the preamble of Pa ¬ tentanspruchs. 1
Bei modernen Dampfturbinen wird der Dampfdruck in der Nieder- druckstufe der Dampfturbine soweit entspannt, dass man häufig in den Nassdampfbereich kommt. Dabei kondensiert Wasser in Form von kleinen Wassertropfen aus. Diese Wassertropfen treffen dann mit großer Geschwindigkeit auf die Laufschaufeln der der Niederdruckstufe und führen dort zu Erosionsschäden. Auf- grund der Erosion wird die Lebensdauer der Turbinenschaufel erheblich reduziert. Zudem führt die Erosion im Laufe der Zeit zu einer zunehmenden Verschlechterung des Wirkungsgrades. Im Extremfall kann die Erosion auch zur Zerstörung einzelner Turbinenschaufeln führen, was dann ein Komplettausfall der Turbine nach sich zieht. In modern steam turbines, the steam pressure in the low-pressure stage of the steam turbine is relieved to such an extent that one frequently enters the wet steam range. This condenses water in the form of small drops of water. These drops of water then hit the blades of the low-pressure stage at high speed and cause erosion damage there. Due to the erosion, the service life of the turbine blade is considerably reduced. In addition, the erosion leads in the course of time to an increasing deterioration of the efficiency. In extreme cases, the erosion can also lead to the destruction of individual turbine blades, which then entails a complete failure of the turbine.
Um die Schäden durch Tropfenschlagerosion zu vermeiden oder zumindest zu verringern, werden die Turbinenschaufeln für die Niederdruckstufe zumindest partiell mit einer Erosionsschutz- schicht versehen. Die Erosionsschutzschicht besteht häufig im Aufbringen oder Einlaminieren von Hartmetallplatten an den besonders gefährdeten Stellen der Turbine. Besonders gefährdet sind dabei die Vorderkante der Turbinenschaufel, weil hier im Wesentlichen die Tropfen auftreffen, sowie die Hin- terkante der Turbine aufgrund der Schleppwirkung. In order to avoid or at least reduce the damage caused by drop impact erosion, the turbine blades for the low pressure stage are at least partially provided with an erosion protection layer. The erosion protection layer is often applied in the application or lamination of hard metal plates at the most vulnerable points of the turbine. The leading edge of the turbine blade is particularly at risk here, because essentially the drops strike here, as well as the trailing edge of the turbine due to the drag effect.
Die Hartmetallplatten, die üblicherweise eingesetzt werden, bieten zwar einen ausreichenden Schutz gegen Tropfenschlagerosion, haben jedoch den Nachteil, dass sie als dicke Platte an der Turbinenschaufel angebracht werden müssen. Hierzu muss die Turbinenschaufel so ausgebildet sein, dass die Hartme¬ tallplatten in die Turbinenschaufel eingebettet sind, so dass das Strömungsprofil der Turbinenschaufel nicht negativ beein- flusst wird. Die Hartmetallplatten tragen zudem zur Gewichtserhöhung der Turbinenschaufeln bei. Dies ist insbesondere bei den großen Durchmessern heutiger Niederdruckstufen nachteilig, da dadurch die Zugbeanspruchung der Turbinenschaufel speziell am Schaufelfuß zunimmt. While the hard metal plates that are commonly used provide adequate drop impact erosion protection, they have the disadvantage that they must be attached to the turbine blade as a thick plate. To this end, the turbine blade must be designed so that the Hartme ¬ tallplatten embedded in the turbine blade, so that the flow profile of the turbine blade no negative effect is flowing. The hard metal plates also contribute to the weight increase of the turbine blades. This is disadvantageous especially in the case of the large diameters of today's low-pressure stages, since this increases the tensile stress on the turbine blade, especially on the blade root.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Turbinenschaufel für eine Niederdruckstufe einer Dampfturbine be¬ reitzustellen, die einen guten Schutz gegen Tropfenschlagero sion darstellt, und die gleichzeitig das Gewicht der Turbi¬ nenschaufel nicht wesentlich erhöht und das Turbinenprofil weitgehend unbeeinflusst lässt. Object of the present invention, therefore, can be a turbine blade for a low pressure stage of a steam turbine be ¬ riding determine who is a good protection against Tropfenschlagero sion, and at the same time does not significantly increase the weight of the turbine blade and the turbine profile largely unaffected.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. The object is solved by the features of independent claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, die einzeln oder Kombination miteinander einsetzbar sind, ist Gegenstand der Unteransprüche . Advantageous embodiment of the invention, which can be used individually or in combination, is the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel für eine Niederdruck¬ stufe einer Dampfturbine, bei der die Turbinenschaufel zumin dest partiell mit einer Erosionsschutzschicht gegen Tropfen¬ schlagerosion versehen ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Erosionsschicht eine Keramikschicht ist. Keramik hat den Vorteil, dass sie sehr dünn auf die Turbinenschaufel aufge¬ bracht werden kann und bereits bei wenigen μ-Metern eine enorme Härte und damit einen guten Schutz gegen Tropfenschlagerosion aufweist. Durch die sehr dünne Keramikschicht wird das Profil der Turbinenschaufeln nicht verändert. Somit kann eine Keramikschicht auch nachträglich auf bereits im Einsatz befindliche Turbinenschaufeln aufgebracht werden. Ei ne besondere Berücksichtigung bei der Konstruktion und Herstellung der Turbinenschaufeln ist nicht notwendig. The turbine blade according to the invention for a low-pressure ¬ stage of a steam turbine, wherein said turbine blade is at least partially provided with an erosion-resistant layer against drop impact ¬ erosion, characterized by the fact that the erosion layer is a ceramic layer. Ceramic has the advantage that it can be very thinly onto the turbine blade ¬ done and already in a few μ-meters an enormous hardness and thus has a good protection against drop impact erosion. Due to the very thin ceramic layer, the profile of the turbine blades is not changed. Thus, a ceramic layer can also be subsequently applied to already in use turbine blades. A special consideration in the design and manufacture of the turbine blades is not necessary.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das die Keramikschicht zumindest in Strömungsrichtung an der Vor derkante und/oder der Hinterkante der Turbinenschaufel auf- tragen ist. Die Turbinenschaufel einer Niederdruckstufe un¬ terliegt einer besonders starken Erosionsbeanspruchung durch Tropfenschlagerosion an der Vorderkante und durch Schleppwirkung an der Hinterkante der Turbine. Durch ein Anbringen einer Keramikschicht in diesen Bereichen wird die Lebensdauer der Turbinenschaufel erheblich reduziert. Die übrigen Berei¬ che der Turbinenschaufel unterliegen einer deutlich geringe¬ ren Belastung und können daher unter Umständen auf eine Erosionsschutzschicht verzichten. An advantageous embodiment of the invention provides that the ceramic layer at least in the flow direction at the front edge and / or the trailing edge of the turbine blade on wear is. The turbine blade of a low pressure stage un ¬ terliegt a particularly strong erosion strain by droplet impact erosion of the leading edge and by dragging action on the trailing edge of the turbine. By attaching a ceramic layer in these areas, the life of the turbine blade is significantly reduced. The remaining preparation ¬ che of the turbine blade are subject to a significantly low ¬ ren load and can do without an erosion-resistant layer therefore may.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Turbinenschaufel zumindest partiell aus einem Faserverbundstoff besteht. Der Faserverbundwerkstoff hat den Vorteil dass hierdurch das Gewicht der Turbinenschaufel er¬ heblich reduziert werden kann. Hierdurch wird die Beanspruchung der Turbinenschaufel, insbesondere am Schaufelfuß ver¬ ringert, wodurch der Durchmesser und damit die Absströmfläche der Niederdruckstufe erhöht werden kann. Hierdurch wird wie¬ derum der Wirkungsgrad der Dampfturbine erhöht. A further advantageous embodiment of the invention provides that the turbine blade at least partially consists of a fiber composite. The fiber composite material has the advantage that in this way it can be ¬ considerably reduces the weight of the turbine blade. Thereby, the stress of the turbine blade, particularly at the blade root ver ¬ Ringert, whereby the diameter and thus the Absströmfläche the low pressure stage can be increased. As a result, as ¬ the efficiency of the steam turbine is increased.
Eine besondere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest die Bereiche der Turbinenschaufel die aus Faserverbundwerkstoff bestehen, eine Keramikschicht aufwei¬ sen. Der Faserverbundwerkstoff weist im Gegensatz zu den sonst verwendeten Stahlwerkstoffen den großen Nachteil auf, dass er nicht beständig gegen Tropfenschlagerosion ist. Durch die Verwendung einer Keramikschicht als Erosionsschutzschicht kann der Faserverbundwerkstoff unempfindlich gegen Tropfenschlagerosion gemacht werden, wodurch er sich dann ohne Einschränkung als Werkstoff für die Turbinenschaufel verwendet lässt . A particular advantageous embodiment of the invention provides that at least the regions of the turbine blade which consist of fiber composite material, a ceramic layer aufwei ¬ sen. In contrast to the steel materials otherwise used, the fiber composite material has the great disadvantage that it is not resistant to drop impact erosion. By using a ceramic layer as an anti-erosion layer, the fiber composite material can be made insensitive to drop impact erosion, whereby it can then be used without restriction as a material for the turbine blade.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Keramikschicht auf die Turbinenschaufel durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) durch physikalische Gas- phasenabscheidung (PVD) oder durch thermische Spritzen aufgebracht ist. Diese drei Beschichtungsverfahren haben den großen Vorteil, dass sie das zu beschichtende Bauteil nur sehr gering thermisch belasten. Hierdurch eignen sich diese Verfahren insbesondere zum Beschichten von Faserverbundwerkstof fen mit Keramik. Faserverbundwerkstoff ist nur bis zu einem geringen Grad thermisch belastbar. Ein Beschichten mittels Tauchbad würde beispielsweise den Faserverbundwerkstoff zer¬ stören. Durch die zuvor beschriebenen Verfahren ist es möglich eine dünne und gegen Tropfenschlagerosion widerstandsfä hige Schicht auf eine Turbinenschaufel aus Faserverbundwerk¬ stoff aufzubringen. A particularly advantageous embodiment of the invention provides that the ceramic layer is applied to the turbine blade by chemical vapor deposition (CVD) by physical vapor deposition (PVD) or by thermal spraying. These three coating methods have the great advantage that they only very much the component to be coated low thermal stress. As a result, these methods are particularly suitable for coating Faserverbundwerkstof fen with ceramic. Fiber composite material is only to a low degree thermally stable. A coating by immersion for example, would the fiber composite material zer ¬ interfere. By the method described above, it is possible to apply a thin and resistant to droplet erosion resistant layer on a turbine blade made of fiber composite material ¬ .
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel für eine Niederdruck¬ stufe einer Dampfturbine mit einer Erosionsschutzschicht aus Keramik bietet somit den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer sehr geringen Schichtdicke zu keiner nennenswerten Erhöhung des Gewichtes der Turbinenschaufel beiträgt und das Strö¬ mungsprofil der Turbinenschaufel nicht verändert. Gleichzei¬ tig bietet die Keramikschicht eine außerordentlich hohe Re¬ sistenz gegen Tropfenschlagerosion, wodurch sich die Lebensdauer der Turbinenschaufel erhöht. Da die Keramikschicht mit Verfahren aufgetragen werden kann, die keine nennenswerte thermische Auswirkung auf den zu beschichteten Werkstoff ha¬ ben, können erstmals auch Faserverbundwerkstoffe mit einer sehr widerstandsfähigen Keramikschicht ausgebildet werden. U das Haften der Keramikschicht an der Turbinenschaufel zu verbessern, kann zwischen der Turbinenschaufel und der Keramikschicht eine zusätzliche Haftschicht aufgebracht werden. The turbine blade according to the invention for a low-pressure ¬ stage of a steam turbine with an erosion-resistant layer made of ceramic thus offers the advantage that it helps because of their very small thickness no significant increase in the weight of the turbine blade and does not change the Strö ¬ tion profile of the turbine blade. Gleichzei ¬ tig the ceramic layer provides an extraordinarily high re ¬ consistency against drop impact erosion, thereby increasing the life of the turbine blade. Since the ceramic layer can be applied by methods which no significant thermal effect on the material to be coated ha ¬ ben, also fiber-reinforced composites can be formed with a very resistant ceramic layer for the first time. To improve the adhesion of the ceramic layer to the turbine blade, an additional adhesive layer may be applied between the turbine blade and the ceramic layer.
Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand ei¬ nes Ausführungsbeispiels dargestellt. Further advantages of the invention are illustrated below with reference to ei ¬ nes embodiment.
Die einzige Figur zeigt einen Radialschnitt durch eine erfin dungsgemäße Turbinenschaufel für die Niederdruckstufe einer Dampfturbine . The single FIGURE shows a radial section through an inven tion modern turbine blade for the low pressure stage of a steam turbine.
Die Figur stellt die erfindungsgemäße Turbinenschaufel nur schematisch dar. Die tatsächliche Geometrie der Turbinen- schaufei wird nicht wiedergegeben. Die Figur zeigt eine Turbinenschaufel 1 welche für die Nie¬ derdruckstufe einer Dampfturbine geeignet ist. Die Turbinen¬ schaufel 1 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff und weist in Strömungsrichtung 5 an der Vorderkante 3 sowie an der Hinterkante 4 eine Erosionsschicht 2 auf. Während des Betriebs der Dampfturbine unterliegt die Vorderkante 3 einer besonders hohen Tropfenschlagbelastung. Die Hinterkante 4 ist ebenfalls verschleißgefährdet aufgrund der Schleppwirkung der Strömung. Um den Verschleiß an der Turbinenschaufel 1 zu minimieren ist die Erosionsschicht 2 aus einer besonders widerstandsfähigen Keramik ausgebildet. Die Keramik ist als sehr dünne Keramik¬ schicht 2 auf die erosionsgefährdeten Bereiche der Turbinenschaufel 1 aufgebracht. Aufgrund der sehr geringen Schichtdi¬ cken der Keramikschicht 2 wird das Strömungsprofil der Turbi¬ nenschaufel 1 nicht beeinflusst. Hierdurch ist es auch mög¬ lich, die Keramikschicht 2 nachträglich an bereits eingesetzten Turbinenschaufeln 1 aufzubringen. Um eine besonders gute Haftung der Keramikschicht 2 auf der Turbinenschaufel 1 zu gewährleisten kann vor dem Auftragen der Keramikschicht 2 eine zusätzliche Haftschicht auf die Turbinenschaufel 1 aufge¬ bracht werden. The figure shows the turbine blade according to the invention only schematically. The actual geometry of the turbine blade is not reproduced. The figure shows a turbine blade 1 which is suitable for Nie ¬ derdruckstufe a steam turbine. The turbine blade 1 consists of a fiber composite material and has an erosion layer 2 in the flow direction 5 at the front edge 3 as well as at the trailing edge. 4 During operation of the steam turbine, the leading edge 3 is subject to a particularly high drop impact load. The trailing edge 4 is also susceptible to wear due to the drag effect of the flow. In order to minimize the wear on the turbine blade 1, the erosion layer 2 is formed of a particularly resistant ceramic. The ceramic is applied as a very thin ceramic ¬ layer 2 on the erosion-prone areas of the turbine blade 1. Due to the very low Schichtdi ¬ CKEN the ceramic layer 2, the airfoil of the turbine blade 1 is not affected. This also makes it mög ¬ Lich to apply the ceramic layer 2 subsequent to already used turbine blades. 1 An additional adhesive layer can order a particularly good adhesion of the ceramic layer 2 on the turbine blade 1 to ensure be on the turbine blade 1 ¬ brought before applying the ceramic layer. 2
Zum Auftragen der Keramikschicht 2 werden vorzugsweise Ver¬ fahren verwendet, welche nur eine geringe thermische Belas¬ tung für den zu beschichtenden Werkstoff darstellen. Ein geringer Wärmeeintrag ist grundsätzlich unabhängig vom verwendeten Werkstoff der Turbinenschaufel günstig, da ein zu hoher Wämeeintrag auch bei Metallschaufeln zu einer Veränderung der Gitterstruktur bzw. zu einem Verzug des Schaufelprofils führen würde. Bei Turbinenschaufeln die ganz oder teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen würde weiterhin die Ge¬ fahr bestehen, dass der Faserverbundwerkstoff beschädigt oder vollständig zerstört würde. For applying the ceramic layer 2 Ver ¬ drive are preferably used, which represent only a small thermal Belas ¬ tion for the material to be coated. A low heat input is basically independent of the material used turbine blade, since too high a heat input would lead to a change in the lattice structure or a distortion of the blade profile even with metal blades. In the case of turbine blades which consist wholly or partly of a fiber composite material, there would continue to be a risk that the fiber composite material would be damaged or completely destroyed.
Nachfolgend werden kurz drei besonders geeignete Verfahren dargestellt, mit dessen Hilfe sich eine sehr dünne und wider¬ standsfähige Keramikschicht auf die Turbinenschaufel aufbrin¬ gen lässt. Ein bevorzugtes Verfahren zum Auftragen einer dünnen Keramikschicht auf eine Turbinenschaufel stellt die chemische Gas¬ phasenabschaltung - im Englischen, Chemical vapor deposition - (CVD) dar. Bei der chemischen Gasphasenabschaltung wird an einer erhitzen Oberfläche eines Substrat aufgrund einer che¬ mischen Reaktion aus der Gasphase eine Feststoffkomponente abgeschieden. Die Feststoffkomponente geht dann eine Reaktion an der Oberfläche zu beschichtenden Werkstücks ein. Für die Reaktion müssen mindestens eine gasförmige Ausgangsverbindung und mindestens zwei Reaktionsprodukte, davon mindestens eins in der festen Phase beteiligt sein. Der Vorteil der chemischen Gasphasenabschaltung liegt darin, dass die Beschichtung auch von komplexen dreidimensional geformten Oberflächen möglich ist. Die Schichtdicke beträgt nur einige 100 μ-Meter. Briefly below three particularly useful methods are presented, with the help of which a very thin and resist ¬ lofted ceramic layer can aufbrin ¬ gen to the turbine blade. A preferred method of applying a thin ceramic layer to a turbine blade, the chemical gas ¬ phase cut-off - in English, chemical vapor deposition - (CVD) represents the case of chemical gas phase cut is on a heated surface of a substrate due to a surface ¬ mix reaction from the gas phase. deposited a solid component. The solid component then initiates a reaction on the surface to be coated on the workpiece. At least one gaseous starting compound and at least two reaction products, at least one of which in the solid phase must be involved in the reaction. The advantage of chemical vapor phase shutdown is that the coating is also possible on complex three-dimensionally shaped surfaces. The layer thickness is only a few 100 μ-meters.
Ein zweites besonders geeignetes Verfahren zum Beschichten der Turbinenschaufel mit einer dünnen widerstandsfähigen Keramikschicht ist die physikalische Gasphasenabschaltung (Che¬ mical vapor deposition, PVD) . Unter dem Begriff PVD versteht man eine Gruppe von vakuumbasierten Beschichtungsverfahren . Im Gegensatz zur vorher beschriebenen chemikalischen Gasphasenabschaltung werden die Schichten direkt durch Kondensation des Beschichtungsmateriales gebildet. Hierzu werden zunächst die schichtbildenden Teilchen verdampft, anschließend wird der Dampf über das zu beschichtende Material, in diesem Fall die Turbinenschaufel, geleitet und kondensiert dort wodurch sich die Erosionsschutzschicht bildet. A second particularly suitable method for coating the turbine blade with a thin resistive ceramic layer is the physical vapor shutdown (Che ¬ mical vapor deposition, PVD). The term PVD is understood to mean a group of vacuum-based coating processes. In contrast to the previously described chemical vapor phase shutdown, the layers are formed directly by condensation of the coating material. For this purpose, first the layer-forming particles are evaporated, then the steam is passed over the material to be coated, in this case the turbine blade, and condenses there, whereby the erosion protection layer is formed.
Ein drittes besonders geeignetes Verfahren zum Herstellen der Keramikschicht als Erosionsschicht für die Turbinenschaufel stellt das thermische Spritzen dar. Beim thermischen Spritzen wird zunächst das Beschichtungsmaterial , in diesem Fall die Keramik, aufgeschmolzen und anschließend in einem Gasstrom beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils, d.h. die Turbinenschaufel gespritzt. Dabei wird al¬ lerdings die Turbinenschaufeloberfläche nicht angeschmolzen und nur im geringen Maße chemisch belastet. Die Schichtbil- dung findet statt, indem sich die Spritzpartikel beim Auf¬ treffen auf die Bauteiloberfläche mechanisch an die Oberflä¬ che anhaften und lageweise ein Schichtaufbau stattfindet. Durch die geringe thermische Belastung wird auch bei Verwen¬ dung von Faserverbundwerkstoff für die Turbinenschaufel der Faserverbundwerkstoff nicht geschädigt. A third particularly suitable method for producing the ceramic layer as an erosion layer for the turbine blade is thermal spraying. During thermal spraying, the coating material, in this case the ceramic, is first melted and then accelerated in a gas stream and onto the surface of the component to be coated. ie the turbine blade sprayed. Here, al ¬ lerdings is not melted the turbine blade surface and chemically loaded only to a small extent. The shift -making takes place by adhering the sprayed particles during the on ¬ impinge on the component surface mechanically to the Oberflä ¬ surface and in layers takes place a layer structure. Due to the low thermal load, the fiber composite material is not damaged even when Verwen ¬ tion of fiber composite material for the turbine blade.
Die zuvor beschriebenen Verfahren zum Aufbringen einer Keramikschicht sind somit allesamt besonders gut geeignet, um oh¬ ne große thermische Belastung eine sehr harte und wider¬ standsfähige Keramikschicht auf die Turbinenschaufel aufzu¬ bringen. Durch die Verfahren wird es erstmals möglich auch Turbinenschaufeln, die teilweise oder ganz aus Faserverbund¬ werkstoff bestehen, dauerhaft widerstandsfähig gegen Tropfenschlagerosion auszubilden. Die widerstandsfähige Keramikschicht erhöht somit die Lebensdauer und sorgt zusätzlich für eine höhere Betriebssicherheit der Turbinenschaufel da eine Beschädigung oder gar Zerstörung der Turbinenschaufel durch Tropfenschlagerosion wirksam entgegnet wird. Dadurch, dass die Keramikschicht einen Materialabtrag einer Turbinenschau¬ fel verhindert, kommt es auch nicht zu einer zunehmenden ne¬ gativen Auswirkung auf den Wirkungsgrad der Turbinenschaufel. Grundsätzlich ist es sinnvoll die Keramikschicht auf die be¬ sonders erosionsgefährdeten Bereiche, d.h. die Vorderkante der Turbinenschaufel sowie auf die durch Schleppwirkung eben¬ falls belastete Hinterkante aufzubringen. Die Verfahren sind aber auch dazu geeignet, die gesamte Turbinenschaufel mit ei¬ ner dünnen Keramikschicht zu versehen. Aufgrund der sehr ge¬ ringen Schichtdicke trägt die Schicht nur unwesentlich zu ei¬ ner Gewichtserhöhung der Turbinenschaufel bei. Die dünne Schicht hat wie bereits beschrieben zusätzlich den Vorteil, dass sie zu keiner Veränderung des Strömungsprofils der Tur¬ binenschaufel führt und somit auch geeignet ist nachträglich auf bereits im Einsatz befindliche Turbinenschaufeln aufge¬ bracht zu werden. Dies kann beispielsweise beim Service er¬ folgen. Als keramisches Material ist insbesondere Silizium¬ karbit geeignet, da es sehr hart sowie thermisch und chemisch resistent ist. Ein wesentlicher Vorteil der Keramikschicht besteht zusätz¬ lich in der Unempfindlichkeit gegen Korrosion. Gerade im Nassdampfbereich von Dampfturbinen stellt die Korrosionsfes- tigkeit ein wichtiges Merkmal dar. The methods described above for applying a ceramic layer thus are all particularly well suited to aufzu oh ¬ ne large thermal stress a very hard and resist ¬ lofted ceramic layer on the turbine blade ¬ bring. By the method, it is also possible first turbine blades, which consist partially or wholly of composite fiber material ¬ permanently resistant form against drop impact erosion. The resistant ceramic layer thus increases the service life and additionally ensures a higher reliability of the turbine blade since damage or even destruction of the turbine blade is effectively counteracted by drop impact erosion. Because the ceramic layer prevents removal of material of a turbine shop ¬ fel, does not occur even in an increasing ne ¬ gativen effect on the efficiency of the turbine blade. In principle, it makes sense that just ¬ appropriate to apply the ceramic layer to be ¬ Sonders erosion-prone areas, the front edge of the turbine blade and to the drag effect by-loaded trailing edge. However, the methods are also suitable for providing the entire turbine blade with a thin ceramic layer. Due to the very ge ¬ wrestle layer thickness, the layer contributes only marginally contribute to ei ¬ ner increase in weight of the turbine blade. The thin layer has, as already described the additional advantage that it results in no change of the flow profile of the door ¬ binenschaufel and thus also is suitable ¬ introduced subsequently installed on the turbine blades already in use to be. This can he ¬ for example, follow the service. As the ceramic material, in particular silicon ¬ Carbide seal is suitable because it is very hard and thermally and chemically resistant. A significant advantage of the ceramic layer consists zusätz ¬ Lich the insensitivity to corrosion. Especially in the wet steam range of steam turbines, the corrosion resistance is an important feature.

Claims

Patentansprüche claims
1. Turbinenschaufel für die Niederdruckstufe einer Dampftur¬ bine, wobei die Turbinenschaufel zumindest partiell mit einer Erosionsschutzschicht gegen Tropfenschlagerosion versehen ist, 1. Turbine blade for the low-pressure stage of a steam turbine ¬ bine, wherein the turbine blade is at least partially provided with an erosion protection layer against drop impact erosion,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Erosionsschutzschicht eine Keramikschicht ist. the erosion control layer is a ceramic layer.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, 2. turbine blade according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Keramikschicht zumindest in Strömungsrichtung, an der Vorderkante und/ oder der Hinterkante der Turbinenschaufel, aufgebracht ist. the ceramic layer is applied at least in the flow direction, at the leading edge and / or the trailing edge of the turbine blade.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, 3. turbine blade according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Turbinenschaufel zumindest partiell aus einem Faserver¬ bundwerkstoff besteht. the turbine blade is made at least partially from a Faserver ¬ composite material.
4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, 4. turbine blade according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
zumindest auf die Bereiche der Turbinenschaufel, die aus Fa¬ serverbundwerkstoff bestehen, eine Keramikschicht aufgebracht ist. is applied at least on the areas of the turbine blade, which consist of Fa ¬ server composite material, a ceramic layer.
5. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 5. turbine blade according to one of the preceding claims, characterized in that
die Keramikschicht durch eines der folgenden Verfahren auf die Turbinenschaufel aufgebracht ist: the ceramic layer is applied to the turbine blade by one of the following methods:
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ;  Chemical vapor deposition (CVD);
Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)  Physical vapor deposition (PVD)
Thermisches Spritzen.  Thermal spraying.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3011875A1 (en) * 2013-10-11 2015-04-17 Snecma ASYMMETRIC PROFILE TURBINE TURBINE
DE102018219699A1 (en) * 2018-11-16 2020-05-20 MTU Aero Engines AG Method for producing a component of a turbomachine from a semi-finished product and a protective cover

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3775208A (en) * 1970-09-01 1973-11-27 Bbc Brown Boveri & Cie Method of applying protective films to plastic surfaces through an intermediate stratum
DE2243132A1 (en) * 1972-08-15 1974-02-28 Bbc Brown Boveri & Cie LIGHT SHOVEL FOR AXIAL FLOW MACHINE
EP0366289A1 (en) * 1988-10-11 1990-05-02 Midwest Research Technologies, Inc. Multi-layer wear resistant coatings
US5702829A (en) * 1991-10-14 1997-12-30 Commissariat A L'energie Atomique Multilayer material, anti-erosion and anti-abrasion coating incorporating said multilayer material
DE19734273A1 (en) * 1997-08-07 1999-02-11 Siemens Ag Heat resistant vane
EP1895021A1 (en) * 2006-08-31 2008-03-05 Honeywell International Inc. Erosion-protective coatings on polymer-matrix composites and components incorporating such coated composites
DE102008055502A1 (en) * 2007-12-18 2009-06-25 General Electric Company Wetting resistant materials and articles made therewith
WO2010066548A1 (en) * 2008-12-11 2010-06-17 Siemens Aktiengesellschaft Turbine blade with coating
WO2011039075A1 (en) * 2009-09-30 2011-04-07 Siemens Aktiengesellschaft Final-stage rotor blade of a steam turbine
WO2011051362A2 (en) * 2009-10-28 2011-05-05 Siemens Aktiengesellschaft Turbine blade of a turbine stage of a steam turbine and rotor blading or guide blading of a turbine stage of a steam turbine

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3775208A (en) * 1970-09-01 1973-11-27 Bbc Brown Boveri & Cie Method of applying protective films to plastic surfaces through an intermediate stratum
DE2243132A1 (en) * 1972-08-15 1974-02-28 Bbc Brown Boveri & Cie LIGHT SHOVEL FOR AXIAL FLOW MACHINE
EP0366289A1 (en) * 1988-10-11 1990-05-02 Midwest Research Technologies, Inc. Multi-layer wear resistant coatings
US5702829A (en) * 1991-10-14 1997-12-30 Commissariat A L'energie Atomique Multilayer material, anti-erosion and anti-abrasion coating incorporating said multilayer material
DE19734273A1 (en) * 1997-08-07 1999-02-11 Siemens Ag Heat resistant vane
EP1895021A1 (en) * 2006-08-31 2008-03-05 Honeywell International Inc. Erosion-protective coatings on polymer-matrix composites and components incorporating such coated composites
DE102008055502A1 (en) * 2007-12-18 2009-06-25 General Electric Company Wetting resistant materials and articles made therewith
WO2010066548A1 (en) * 2008-12-11 2010-06-17 Siemens Aktiengesellschaft Turbine blade with coating
WO2011039075A1 (en) * 2009-09-30 2011-04-07 Siemens Aktiengesellschaft Final-stage rotor blade of a steam turbine
WO2011051362A2 (en) * 2009-10-28 2011-05-05 Siemens Aktiengesellschaft Turbine blade of a turbine stage of a steam turbine and rotor blading or guide blading of a turbine stage of a steam turbine

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3011875A1 (en) * 2013-10-11 2015-04-17 Snecma ASYMMETRIC PROFILE TURBINE TURBINE
US9784112B2 (en) 2013-10-11 2017-10-10 Snecma Turbine engine vane with asymmetrical profile
DE102018219699A1 (en) * 2018-11-16 2020-05-20 MTU Aero Engines AG Method for producing a component of a turbomachine from a semi-finished product and a protective cover

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