EP2574729A2 - Turbinenschaufel und Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel - Google Patents

Turbinenschaufel und Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel Download PDF

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EP2574729A2
EP2574729A2 EP12183107A EP12183107A EP2574729A2 EP 2574729 A2 EP2574729 A2 EP 2574729A2 EP 12183107 A EP12183107 A EP 12183107A EP 12183107 A EP12183107 A EP 12183107A EP 2574729 A2 EP2574729 A2 EP 2574729A2
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EP
European Patent Office
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turbine blade
surface coating
airfoil
turbine
titanium
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Withdrawn
Application number
EP12183107A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Scheunert
Lutz Völker
Heinrich Zeininger
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/51—Hydrophilic, i.e. being or having wettable properties

Definitions

  • the present invention relates to a turbine blade, in particular a rotor blade for a steam turbine, and to a method for producing a turbine blade.
  • Known turbine blades are usually made hollow or solid from a metallic material such as steel or titanium, and are needed for example for steam turbines.
  • a steam turbine the thermal energy supplied by the turbine steam is converted into mechanical work.
  • steam turbines comprise at least one high-pressure-side steam inlet and at least one low-pressure-side steam outlet.
  • a shaft extending through the turbine, the so-called turbine rotor, is driven by means of turbine blades.
  • vanes To drive the rotor typically blades and vanes are provided, wherein the blades are attached to the rotor and rotate therewith, whereas the vanes are arranged mostly stationary on a turbine housing.
  • the vanes provide a favorable flow of steam through the turbine to achieve the most efficient energy conversion. In this reaction, the enthalpy of the vapor is reduced in the course between the steam inlet and the steam outlet. This reduces both the temperature and the pressure of the steam.
  • the highest possible enthalpy difference between supplied and discharged steam is one to aim for so-called final stage of the steam turbine.
  • a relatively low pressure of the steam to be discharged is advantageous. Due to the reaching of the saturated steam state in a low-pressure part of the turbine, moisture condensed out of the steam can precipitate and form water droplets in the turbine. The rotating blades hit with high energy on the entrained by the flow of steam drops of water so that they are subject to appropriate wear.
  • the publication DE 10 2008 061 573 A1 discloses a turbine blade having a fiber composite provided with a protective layer having a higher impact resistance than the fiber composite.
  • EP 1 780 379 A2 discloses a steam turbine having rotor blades coated with a highly hydrophilic surface coating of titanium dioxide.
  • the publication EP 1 844 863 A1 discloses an article having a textured surface which has a high contact angle with respect to a reference liquid.
  • One aspect of the present invention is therefore a turbine blade with an airfoil, wherein the airfoil at least partially has a super hydrophilic surface coating.
  • the super hydrophilic surface coating results in a complete spreading of water and the formation of a thin film of water over the surface coating which dissipates the impact energy as water droplets impinge upon the turbine blade and thus advantageously protects the underlying airfoil material from drop impact erosion.
  • the airfoil may be completely coated with the superhydrophilic surface coating. This offers the advantage that the entire airfoil is protected against drop impact erosion.
  • the superhydrophilic surface coating may comprise titania, particularly anatase titanium dioxide.
  • titania particularly anatase titanium dioxide.
  • Anatase titanium dioxide offers very good superhydrophilic properties, in particular anatase titanium dioxide has a contact angle of less than 5 ° for water.
  • the superhydrophilic surface coating comprises titanium nitride or titanium oxynitride.
  • Titanium nitride advantageously has a particular hardness and corrosion resistance, which can extend the life of turbine blades. In this case, advantageously, the relatively poor wear properties can be improved by the nitriding.
  • the layer thickness of the superhydrophilic surface coating may be between 10 nm to a few micrometers, in particular titanium nitride. With this thickness, the formation of a coherent, firmly adhering to the surface sufficiently thick water film for dissipating kinetic energy impinging water droplets is particularly well ensured without the surface coating tends to cracking. Titanium oxide and in particular titanium nitride surfaces are stable.
  • the airfoil may comprise a blade material comprising hardened steel or titanium. This improves the mechanical properties of the turbine blade.
  • the present invention according to another aspect provides a steam turbine with at least one turbine blade according to the invention.
  • the present invention in another aspect, provides a method of manufacturing a turbine blade comprising the steps of manufacturing a blade of a turbine blade of hardened steel or titanium, and applying a superhydrophilic surface coating comprising titanium nitride or titanium oxynitride to at least a portion of the surface of the turbine airfoil.
  • the method may further include the step of increasing the surface roughness of the superhydrophilic surface coating. With increased surface roughness, the water film thickness in the surface coating can be increased, so that the energy absorption properties of the water film are advantageously improved.
  • Fig. 1 2 shows a schematic representation of a turbine blade 100.
  • the turbine blade 100 comprises a blade root 4 and an airfoil 1.
  • the turbine blade 100 may be used, for example, in a low-pressure stage of a steam turbine.
  • the blade root can have 4 plug connectors 5, by means of which the turbine blade 100 can be attached to the rotor of the steam turbine.
  • the airfoil 1 may comprise a blade material 2, which comprises, for example, hardened steel, titanium or another corrosion-resistant material. It may also be possible that the airfoil 1 comprises a composite material or a composite material.
  • the blade 1 may be coated at least in regions with a protective layer.
  • the protective layer can serve to reduce the effects of drop erosion.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the turbine blade 100 in FIG Fig. 1 shown in more detail in sectional view.
  • the blade material 2 is provided with a surface coating 3.
  • the surface coating 3 may, for example, have a layer thickness of about 10 nm to a few micrometers, in particular 20 nm to 80 nm, in particular 40 nm to 60 nm, in particular about 50 nm.
  • the surface coating 3 may be superhydrophilic, that is, the wetting angle which a liquid droplet forms with the surface tangent of the surface coating 3 is very small. Exemplary are in Fig. 2 two water drops 6a and 6b are shown, which rest on the surface coating 3. The water droplet 6a represents a water droplet immediately after it has come in contact with the surface coating 3. The angle 7a formed by the water droplet 6a with the surface tangent of the surface coating 3 is very high, for example between 75 ° and 105 °.
  • the sign of the wetting tension B allows conclusions to be drawn about the spreading or wetting behavior of water droplets on the surface coating 3.
  • the water droplet 6b stands by way of example for a water droplet on a superhydrophilic surface coating 3, ie a surface coating 3, which leads to an almost complete spreading of the water droplet 6b on the surface of the surface coating 3.
  • the contact angle 7b for the water droplet 6b is very small and is preferably between 0 ° and 5 °.
  • a superhydrophilic surface coating 3 results in the formation of a thin water film on the surface.
  • the water film remains at a relative humidity of over 20% even at high speeds of movement of the turbine blade 100, for example, at high speeds, obtained.
  • the impact energy is dissipated via the liquid water film. This effectively protects the underlying airfoil material 2 from drop impact erosion.
  • the thickness of the water film can be further improved by increasing the surface roughness of the superhydrophilic surface coating 3. This can be achieved for example by a selective surface oxidation or a mechanical roughening of the surface.
  • the super hydrophilic surface coating 3 may comprise, for example, titanium dioxide.
  • the titania can be in anatase configuration.
  • a rutile configuration may be suitable for the titanium dioxide.
  • the super hydrophilic surface coating 3 may for example also comprise titanium nitride. It may also be possible to provide nanoparticles of aluminum oxide, silicon oxide, silicon carbide, zirconium oxide or titanium oxide in the surface coating 3. The nanoparticles can ensure that upon impact of drops, the impact energy can be absorbed by the surface coating 3 and distributed over the surface coating 3. The nanoparticles are set into vibration when the drops are impacted, whereby impact energy is converted into vibrational and, at last, frictional energy.
  • titanium nitride When titanium nitride is used, about 1 to 3 ⁇ m thick titanium nitride layers are produced, for example by plasma nitriding at about 700 ° C. The resulting surface hardness is greater than 1000HV 0.5.
  • the titanium nitride layer is formed from the base material and therefore does not burst. Since only the edge structure is changed, and no microstructure transformations occur in the core material, nitriding and nitrocarburizing is a very low-distortion heat treatment process. The precipitation of nitrides (epsilon-nitride) in the internal species-specific surface layer leads to an increase in the strength and to build up compressive residual stresses.
  • Titanium nitride surfaces can be prepared by various methods, such as a pulsed plasma nitriding process at about 500 to 700 ° C for about 12 hours under a defined nitrogen potential, or by nitrocarburizing, that is, a thermochemical process for enriching the surface layer of a workpiece or Component with nitrogen and carbon at a temperature of about 550 to 580 ° C with a duration between about 1 and 10 hours.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a method 10 for producing a turbine blade, in particular the turbine blade 100 in Fig. 1 and 2 ,
  • the method 10 includes as a first step 11, manufacturing a blade of a turbine blade made of hardened steel or titanium.
  • a superhydrophilic surface coating is applied to at least part of the surface of the airfoil.
  • the surface roughness of the superhydrophilic surface coating can be increased.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Turbinenschaufel (100) mit einem Schaufelblatt (1), wobei das Schaufelblatt zumindest teilweise eine superhydrophile Oberflächenbeschichtung (3) aufweist. Die superhydrophile Oberflächenbeschichtung (3) führt zu einer kompletten Spreitung von Wasser und zur Ausbildung eines dünnen Wasserfilms, welcher bei einem Auftreffen von Wassertropfen auf die Turbinenschaufel die Aufprallenergie dissipieren kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Laufschaufel für eine Dampfturbine, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel.
    • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Da durch diese Tropfenschlagerosion selbst gehärteter Stahl abgetragen werden kann, besteht ein hohes Interesse an Turbinenschaufeln, welche der Beanspruchung durch Tropfenschlagerosion widerstehen können.
  • 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.
  • Die Druckschrift EP 1 780 379 A2 offenbart eine Dampfturbine mit Rotorblättern, welche mit einer hoch hydrophilen Oberflächenbeschichtung aus Titandioxid beschichtet sind.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann das Schaufelblatt ein Schaufelmaterial aufweisen, welches gehärteten Stahl oder Titan umfasst. Dies verbessert die mechanischen Eigenschaften der Turbinenschaufel.
  • Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt eine Dampfturbine mit mindestens einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Modifikationen und Variationen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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°.
  • 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: B = g * cos w
    Figure imgb0001
  • 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.
  • 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°.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

  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).
EP12183107A 2011-09-27 2012-09-05 Turbinenschaufel und Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel Withdrawn EP2574729A2 (de)

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