Beschaufelung

Dreiecke jeweils am Laufradeintritt dargestellt

Turbinenschaufel

Die Beschaufelung nennt man die Gesamtheit der Schaufeln eines Verdichters und einer Turbine. Unterschieden wird dabei zwischen Lauf- und Leitschaufeln, ein Paar nennt man eine Stufe. Die Beschaufelung von Turbine oder Verdichter kann mehrstufig sein.

Die Leitschaufeln sind fest im Gehäuse des Verdichters bzw. der Turbine eingebaut und leiten das Arbeitsmittel im optimalen Winkel auf die Laufschaufeln, die sich auf drehbaren Wellen befinden. Über die Laufschaufeln findet die Kopplung der mechanisch nutzbaren Leistung zwischen Maschine und Fluid statt (Turbinen treiben i.A. eine angeschlossene Arbeitsmaschine an, meist einen Generator; ein Verdichter wird i.A. von einem Motor angetrieben).

Strömungsmechanik

In den Leitschaufeln wird die je Stufe umgesetzte Enthalpie entweder ganz oder zum Teil in Strömungsenergie umgesetzt. In den Laufrädern wird die Strömungsenergie durch die Umlenkung in eine Umfangskraft umgewandelt. Grundsätzlich sind für den Abbau eines Enthalpiegefälles in einer Turbine weniger Stufen erforderlich als für den Aufbau desselben Gefälles in einem Verdichter. Dies hängt damit zusammen, dass die beschleunigte Strömung einer Turbine viel weniger von einem Strömungsabriss gefährdet ist als bei der verzögerten Strömung in einem Verdichter.

Das Verhältnis der in den Laufschaufeln einer Turbinenstufe in Strömungsenergie umgesetzten Enthalpie zum gesamten Enthalpiegefälle einer Turbinenstufe wird als Reaktionsgrad bezeichnet. Üblicherweise wird bei Überdruckturbinen ein Reaktionsgrad von 0,5 realisiert. Bei Gleichdruckturbinen ist der Reaktionsgrad 0; das gesamte Enthalpiegefälle einer Stufe wird in den Leitschaufel in Strömungsenergie umgesetzt, der Druck in den Laufschaufeln der Stufe bleibt konstant.

Werkstoffbelastung

Die Laufschaufeln einer Turbine sind besonderen Belastungen ausgesetzt. Kritisch ist besonders die hohe Betriebstemperatur in Kombination mit den Zugspannungen in Radialrichtung. Diese Belastungen bewirken auf Dauer das sogenannte Kriechen der Schaufeln. Dabei werden die Schaufeln im Laufe ihres Lebens immer länger. Dabei kann im ungünstigen Fall die Schaufel den Außenkäfig der Turbine berühren, wodurch die Turbine blockiert wird. Kritisch sind ferner Vibrationsbelastungen: Das Schaufelblatt gerät ins „Flattern“. Dies kann zu Materialermüdung führen.

Die hohen Belastungen machen höchstbelastbare Werkstoffe erforderlich. Die Werkstoffe der Laufschaufeln begrenzen zurzeit den Wirkungsgrad der Turbine, da sie nur eine begrenzte Betriebstemperatur erlauben. Hohe Betriebstemperaturen wirken sich positiv auf den Carnot-Wirkungsgrad aus.

Werkstoffe

Turbinenschaufeln werden aus Titan-Legierungen, Nickel-Superlegierung oder Wolfram-Molybdän-Legierungen gefertigt. Die Schaufeln werden für höhere Resistenz gegen Temperaturen so wie Erosion wie zum Beispiel Lochfraß, auch bekannt unter "pitting corrosion", durch Beschichtungen geschützt. Die Beschichtung zur Hitzeabschirmung wird Thermal Barrier Coating bzw. kurz TBC genannt. Weitere Maßnahmen, um die Schaufeln hitzeresistenter zu machen, bestehen in ausgeklügelten Kühlkanalsystemen. Diese Technik wird sowohl in den Leit- als auch in den Laufschaufeln angewendet.

Weblinks

•  Commons: Dampfturbinenbeschaufelung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien