Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Bauteil einer hydroelektrischen Turbine mit erhöhter Lebensdauer und ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Bauteil einer hydroelektrischen Turbine mit einem beschichteten keilförmigen Substrat und ein Verfahren zur Bereitstellung und Beschichtung des keilförmigen Substrats.

Erosionsbeständige Beschichtungen werden häufig auf Komponenten von Wasserkraftturbinen verwendet, wie z. B. Laufräder und Leitschaufeln für Francis- und Kaplan-Turbinen, Laufräder und Nadeln für Pelton-Turbinen und verschiedene andere Komponenten, die anfällig für Erosion durch im Triebwasser enthaltene Sedimente sind.

So offenbart z.B. die EP 3 647 585 B1 ein Bauteil einer hydroelektrischen Turbine, das ein keilförmiges Substrat mit einem Spitzenabschnitt und mindestens zwei Seitenabschnitten umfasst, wobei eine erosionsbeständige Beschichtung auf dem keilförmigen Substrat aufgebracht ist, und wobei die erosionsbeständige Beschichtung, die auf dem Spitzenabschnitt aufgebracht ist, mindestens 2 Mal stärker ist als die erosionsbeständige Beschichtung, die auf den Seitenabschnitten aufgebracht ist, und wobei die erosionsbeständige Beschichtung mindestens 99,5% Dichte umfasst. Dabei erfolgt die Applikation der erosionsbeständigen Beschichtung durch den Hochgeschwindigkeits-Air-Fuel-Prozess (HVAF).

Die EP 2 213 407 B1 offenbart ein Bauteil einer hydroelektrischen Turbine, das eine Verkleidung umfasst, welche durch ein massives Keramikelement gebildet wird, das auf einen Metallträger gelötet ist. Der Metallträger wird dabei mit dem Hauptkörper des Bauteils mittels einer Schweißnaht verbunden.

Die EP 1 337 753 B1 offenbart ein Bauteil einer hydroelektrischen Turbine, das zwei Häute umfasst, die jeweils die Unter- und Oberseite des Bauteils bilden, wobei die Häute durch Formgießen von Verbundmaterial hergestellt sind, und wobei mindestens eine der Häute lokal mit einem Schutz gegen Abnutzung oder gegen Stöße beschichtet ist, und wobei der Schutz durch mindestens einen metallischen Einsatz gebildet wird, der in die Haut integriert oder auf dieser angebracht ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil einer hydroelektrischen Turbine anzugeben, das einen alternativen Aufbau aufweist, und durch ein alternatives Verfahren hergestellt wird, wobei die Beständigkeit des Bauteils gegen Erosion vergleichbar hoch ist, wie die Beständigkeit der aus dem Stand der Technik bekannten Bauteile.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig.1 Erfindungsgemäßes Turbinenbauteil

Fig.1 a Erfindungsgemäßes Turbinenbauteil

Fig.2 Erfindungsgemäßes Turbinenbauteil

Fig.2a Erfindungsgemäßes Turbinenbauteil

Fig.3 Hartpartikel

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Turbinenbauteil in schematischer Darstellung. Das Turbinenbauteil umfasst ein keilförmiges Substrat und eine erosionsbeständige das Substrat überziehende Beschichtung, wobei die Beschichtung mit 3 bezeichnet ist. Das keilförmige Substrat umfasst einen Grundkörper, welcher mit 1 bezeichnet ist und einen darauf aufsitzenden Spitzenabschnitt, welcher mit 2 bezeichnet ist. Der Grundkörper 1 besteht aus einem Material, welches herkömmlich für das betreffende Turbinenbauteil verwendet wird. In der Regel ist dies Stahl. Der Spitzenabschnitt 2 bildet eine Panzerung des Turbinenbauteils gegen unerwünschte Erosionsschäden. Der Spitzenabschnitt 2 läuft in einer Spitze aus, welche die Spitze des keilförmigen Substrates darstellt.

Der Spitzenabschnitt 2 besteht aus einer metallischen Matrix, in welche Partikel eines sehr harten Materials eingebettet sind. Als Material für diese Hartpartikel wird vorzugsweise Wolframkarbid verwendet, welches sich durch seine große Härte auszeichnet, welche beinahe der Härte von Diamant gleichkommt. Weitere geeignete Materialien für Hartpartikel und Details hierzu werden im Abschnitt [0028] der EP 3 647 585 B1 genannt. Geeignete Materialien für die Matrix sind beispielsweise Ni, FeCrAI oder CrNiBoSi.

Die Verbindung zwischen Grundkörper 1 und Spitzenabschnitt 2 wird durch ein Verfahren bewerkstelligt, welches in einer interkristallinen Verbindung zwischen Grundkörper 1 und der Matrix des Spitzenabschnittes 2 resultiert, d.h. durch ein geeignetes Schweißverfahren. Geeignete und vorteilhafte Schweißverfahren sind beispielsweise das sogenannte Laser-Pulver-Schweißen oder das Laser- Handschweißen. Beim Laser-Pulver-Schweißen wird ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mit Laserenergie auf den Grundkörper aufgeschweißt. Das Pulver ist erfindungsgemäß ein Gemisch aus den Hartpartikeln und dem pulverförmigen Material der Matrix. Beim Laser-Handschweißen kommt ein Schweißdraht zum Einsatz, welcher als Hohldraht ausgebildet ist, und wobei die Hülle des Drahtes erfindungsgemäß aus dem Material der Matrix gebildet wird und im Inneren der Hülle die Hartpartikel angeordnet sind. Beim Schweißen wird der Draht auf den Grundkörper gehalten und mit Laserenergie mit demselben verschweißt. Beide Schweißverfahren sind Auftragsschweißverfahren. Der Spitzenabschnitt 2 wird dabei in der Regel in mehreren Schichten aufgebaut, wobei dann eine zuvor aufgetragene Schicht als Grundlage für eine als nächstes aufzutragende Schicht dient.

Nachdem das keilförmige Substrat auf diese Weise gebildet wurde, wird die erosionsbeständige Beschichtung aufgebracht. Zu den geeigneten Materialien und Zusammensetzungen der erosionsbeständigen Beschichtung wird auf die Abschnitte [0027] und [0028] der EP 3 647 585 B1 verwiesen. Als besonders geeignet wird die Kombination von Wolframkarbid-Partikeln mit einer Matrix aus CoCr angesehen. Erfindungsgemäß kann die Beschichtung mittels HVOF oder HVAF erfolgen. Als bevorzugt geeignet wird HVOF betrachtet. Details zu diesen Verfahren können der EP 3 647 585 B1 entnommen werden.

In der Darstellung von Figur 1 ist das erfindungsgemäße Turbinenbauteil sehr symmetrisch aufgebaut. Die gestrichelte Linie stellt dabei die Symmetrieachse der keilförmigen Struktur des Turbinenbauteils dar. Die Grenzlinie zwischen Grundkörper 1 und Spitzenabschnitt 2 verläuft senkrecht zu dieser Achse. Ein solcher symmetrischer Aufbau des Turbinenbauteils kommt vorteilhaft z.B. bei der zentralen Schneide eines Bechers eines Pelton-Turbinenlaufrades zum Einsatz. Bei anderen Turbinenbauteilen kann ein weniger symmetrischer Aufbau von Vorteil sein. Figur 1 a zeigt beispielhaft einen Aufbau, welcher nicht strengsymmetrisch ausgebildet ist. Als Achse dient in diesem Fall die Winkelhalbierende zwischen den Flanken des keilförmigen Substrates. Die Grenzlinie zwischen Grundkörper 1 und Spitzenabschnitt 2 verläuft im dargestellten Beispiel nicht senkrecht zu dieser Achse. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn die Flanken unterschiedlich stark beansprucht werden. Die Grenzlinie könnte aber auch senkrecht verlaufen. Weitere Abweichungen zu den Darstellungen gemäß Figur 1 und 1 a könnten darin bestehen, dass die Flanken eines erfindungsgemäßen Bauteils eine Krümmung aufweisen. Diese Krümmungen könnten für jede Flanke unterschiedlich sein. Außerdem könnte die Grenzlinie zwischen Grundkörper 1 und Spitzenabschnitt 2 eine Krümmung aufweisen. Zur weiteren Verstärkung der Verbindung zwischen Grundkörper 1 und Spitzenabschnitt 2 könnte die Grenzfläche eine Riffelung oder eine Zahnung aufweisen.

Die Figuren 2 und 2a dienen zur Illustration von definierten Maßen eines erfindungsgemäßen Turbinenbauteils. Das Maß H quantifiziert die Höhe des Spitzenabschnitts 2 bzw. der Panzerung. Wenn das Turbinenbauteil einen unsymmetrischen Aufbau hat, wird H an den in Figur 2a gezeigten Schnittpunkten der gestrichelten Achse abgetragen. Di ist die Dicke der Beschichtung an der Spitze des keilförmigen Substrates. D2 ist die Dicke der Beschichtung an der Grenzlinie zwischen Grundkörper 1 und Spitzenabschnitt 2. Die Schichtdicke an beiden Flanken kann differieren, was von Vorteil sein kann, wenn die Belastung der Flanken unterschiedlich groß ist. D.h. in Bezugnahme zu Figur 2a könnten Ü2a und Ü2b unterschiedlich groß sein. In diesem Fall ist D2 der größere Wert der beiden genannten.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich u.a. durch eine unter der Beschichtung liegenden Panzerung aus. Dadurch kann auch mit einer moderaten Dicke der Beschichtung ein ausgezeichneter Schutz gegen Erosion sichergestellt werden. Eine moderate Dicke der Beschichtung bietet außerdem den Vorteil, dass es durch die Beschichtung zu einer geringeren Abrundung der Bauteilspitze kommt. Bei den Schneiden der Pelton-Becher beispielsweise führt ein geringerer Radius an der Schneide automatisch zu einem höheren Wirkungsgrad. Zudem kann der Aufwand für die Beschichtung klein gehalten werden. Ausgezeichnete Erosionsstandfestigkeit wird bereits mit Schichtdicken an der Spitze des keilförmigen Substrates in einem Bereich von 0,3 mm < Di < 0,7 mm erreicht, wenn außerdem H > Di gewählt wird. Sehr gute Ergebnisse lassen sich mit einer homogenen Schichtdicke im keilförmigen Bereich des betreffenden Bauteils erzielen, das bedeutet u.a. Di = D2. Die Standfestigkeit lässt sich noch weiter steigern, wenn die Dicke der Beschichtung am Übergangsbereich zwischen Grundkörper 1 und Spitzenabschnitt 2 ausreichend stark ausgelegt wird. Vorteilhaft ist hierzu, wenn D2 wenigsten 1 ,2 * Di ist.

Der Erfinder hat erkannt, dass die Einbettung von Hartpartikeln in eine metallische Matrix zu Spannungen führen kann, welche bei hoher Sichtdicke und/oder mechanischen Belastungen zu Rissen in der Matrix führen kann. Solche Risse setzten die Lebensdauer der Beschichtung bzw. der Panzerung herab. Die gängigen Hartpartikel sind von kristallinem Aufbau und weisen daher in der Regel eine Oberfläche mit scharfe Kanten und Spitzen auf. An solchen Stellen treten vermehrt Spannungen auf, wenn die Partikel in die metallische Matrix eingebettet werden. Der Erfinder hat erkannt, dass dieser schädliche Effekt reduziert werden kann, wenn die Kanten und Spitzen der Partikel vor dem Einbetten in die Matrix leicht abgerundet bzw. gebrochen werden. Dazu können die Partikel beispielsweise in eine Tonne gefüllt werden, welche dann über einen ausreichend langen Zeitraum in Rotation gehalten wird. Die in der Tonne befindlichen Partikel arbeiten sich dabei gegenseitig ab, wodurch die Kanten und Spitzen derselben weniger scharf werden. Figur 4 zeigt diesen Effekt in schematischer Form.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren umfasst folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

S1 : Bereitstellung eines Grundkörpers 1 ;

S2: Aufbringung einer Panzerung 2 auf den Grundkörper 1 , wodurch ein keilförmiges Substrat gebildet wird; S3: Aufbringung einer erosionsbeständigen Beschichtung 3 auf das keilförmige Substrat.

Vor den Schritten S2 und S3 kann jeweils ein Schritt ausgeführt werden, in dem die in den Schritten S2 bzw. S3 verwendeten Hartpartikel abgerundet werden.

Bezugszeichenliste

1 Grundkörper

2 Spitzenabschnitt bzw. Panzerung 3 Beschichtung