CH699312A1

CH699312A1 - Schaufelanordnung einer gasturbine.

Info

Publication number: CH699312A1
Application number: CH01285/08A
Authority: CH
Inventors: Thomas Dr Heinz-Schwarzmaier; Thomas Dr Duda; Alexander Dr Schnell
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2010-02-15
Also published as: EP2313615B2; EP2313615A1; US20110171039A1; EP2313615B1; WO2010018174A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Schaufelanordnung (30) einer Gasturbine mit wenigstens einer Schaufel (11), welche in radialer Richtung in einen zu einer Achse (16) konzentrisch angeordneten Heissgaskanal (13) hineinragt und in einer Schaufelspitze (27) endet, die mit einem Spiel (25) einem den Heissgaskanal (13) begrenzenden Hitzeschild (12) gegenüberliegt, wobei die Schaufel (11) und der Hitzeschild (12) in Umfangsrichtung relativ zueinander beweglich sind, und die Schaufelspitze (27) und der Hitzeschild (12) mit Schichten (22, 23, 24) bedeckt sind, welche ein gezieltes Einschleifen der Schaufelspitze (27) in den Hitzeschild (12) ermöglichen. Bei einer solchen Schaufelanordnung wird eine Reduzierung des Spiels durch Einschleifen auf vereinfachte Weise dadurch erreicht, dass der Hitzeschild (12) als äussere, abschleifbare Schicht eine poröse Wärmedämmschicht (23) aufweist, und dass die Schaufelspitze (27) mit einer homogenen metallischen Abdeckschicht (24) versehen ist.

Description


  Technisches Gebiet

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik der Gasturbinen. Sie betrifft eine Schaufelanordnung einer Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

  

[0002]    Für den Wirkungsgrad einer Gasturbine ist es von grosser Wichtigkeit, insbesondere im Turbinenteil, in dem die heissen Gase aus der Brennkammer entspannt werden, die zwischen dem beschaufelten drehenden Rotor und dem umgebenden Stator auftretenden Spalte im Bereich der Beschaufelung möglichst klein zu halten.

  

[0003]    Im einfachsten Fall, wie dies in Fig. 1anhand der Schaufelanordnung 10 wiedergegeben ist, werden für eine Optimierung der Spaltbreite keine speziellen Massnahmen ergriffen: Die in den Heissgaskanal 13 der Gasturbine radial hineinragenden, um die Achse 16 drehenden Laufschaufeln 11 enden in einer mit einer ersten Abdeckschicht 15 versehenen Schaufelspitze 27, die mit einem Spiel 25 einem die äussere Wand 26 des Heissgaskanals 13 bildenden Hitzeschild 12 gegenüberliegt, welcher mit einer zweiten Abdeckschicht 14 versehen ist. Die Abdeckschichten 14 und 15, die beispielsweise aus MCrAIY bestehen können, schützen die Bauteile 11 und 12 vor den schädlichen Einwirkungen der heissen Gase im Heissgaskanal 13, insbesondere vor unerwünschter Oxidation. Die Schaufelanordnung 10 der Fig. 1 ist nicht für ein Einschleifen der Schaufelspitzen 27 in den Hitzeschild 12 ausgelegt.

   Das Spiel 25 zwischen den Schaufelspitzen 27 und dem Hitzeschild 12 berücksichtigt die verschiedenen Wärmedehnungen und ist daher vergleichsweise gross, um ein Schleifen der Bauteile im Betrieb zu vermeiden.

  

[0004]    Um das Spiel 25 reduzieren zu können, sind Schaufelanordnungen 20 gemäss Fig. 2 vorgeschlagen worden (siehe z.B. die EP-A2-1 312 760 oder die US-A1-2008 166 225), bei denen an der Schaufelspitze 27 der Laufschaufeln in eine Trägerschicht 19 eingebettet Schleifkörper (Körner) 21 (z.B. aus kubischem Bornitrid cBN) angeordnet sind, mit denen sich die Schaufelspitze 27 im Betrieb in eine abschleifbare Wärmedämmschicht 18 (Thermal Barrier Coating TBC) auf dem gegenüberliegenden Hitzeschild 12 einschleifen kann. Als Trägerschicht 19 für die Schleifkörper 21 kann beispielsweise eine Schicht aus metallischem MCrAIY verwendet werden, ebenso wie als Haftschicht 17 unter der Wärmedämmschicht 18.

  

[0005]    Die Schleifschicht 19, 21 einer solchen Schaufelanordnung ist durch die eingelagerten Schleifkörper vergleichsweise komplex aufgebaut und daher aufwändig in der Herstellung. Ziel müsste aber sein, ein vergleichbares Einschleifverhalten zu erzeugen, ohne dass an der Schaufelspitze eine spezielle Schleifschicht vorgesehen werden muss.

Darstellung der Erfindung

  

[0006]    Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaufelanordnung anzugeben, welche die Nachteile bekannter Schaufelanordnungen vermeidet und bei gleichzeitig einfachem Aufbau eine deutliche Verringerung des Spiels zwischen den Schaufelspitzen und den gegenüberliegenden statorseitigen Elementen ermöglicht.

  

[0007]    Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Hitzeschild als äussere, abschleifbare Schicht eine poröse Wärmedämmschicht aufweist, und dass die Schaufelspitze lediglich mit einer homogenen metallischen Abdeckschicht versehen ist. Die poröse Wärmedämmschicht ermöglicht es der mit der Abdeckschicht bedeckten Schaufelspitze, sich auch ohne spezielle Schleifkörper bzw. Schleifschicht in den Hitzeschild einzuschleifen und so das Spiel zwischen Schaufelspitze und gegenüberliegendem Hitzeschild optimal zu minimieren.

  

[0008]    Grundsätzlich ist die Schaufel eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel einer thermischen Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, wobei im Falle einer Leitschaufel der Schaufelspitze ein am Rotor befestigter Hitzeschild gegenüberliegt. Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schaufel eine um die Achse rotierende Laufschaufel, während der Hitzeschild am Stator der Gasturbine ortsfest montiert ist.

  

[0009]    Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmedämmschicht eine poröse Keramikschicht, insbesondere aus YSZ, ist. Vorzugsweise ist dabei die Porosität der Wärmedämmschicht grösser 20%.

  

[0010]    Zwischen dem Hitzeschild und der Wärmedämmschicht ist mit Vorteil eine Haftschicht, insbesondere aus MCrAIY, angeordnet.

  

[0011]    Die metallische Abdeckschicht besteht vorzugsweise aus MCrAIY.

  

[0012]    Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel Teil der ersten Laufschaufelreihe im Turbinenteil der Gasturbine ist.

Kurze Erläuterung der Figuren

  

[0013]    Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>in einer stark vereinfachten Darstellung eine frühere Schaufelanordnung ohne die Möglichkeit des Einschleifens;


  <tb>Fig. 2<sep>in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine andere frühere Schaufelanordnung mit einer speziellen Schleifschicht auf der Schaufelspitze und


  <tb>Fig. 3<sep>in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine für das Einschleifen vorgesehen Schaufelanordnung mit einer einfachen Abdeckschicht auf der Schaufelspitze gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

  

[0014]    In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Schaufelanordnung 30 nach der Erfindung wiedergegeben. In dem Beispiel steht wiederum einer um die Achse 16 der Gasturbine drehbare Laufschaufel 11 mit der Schaufelspitze 27 ein Hitzeschild 12 mit Spiel 25 gegenüber. Das Spiel 25 und damit der Wirkungsgrad der Turbine werden durch Einschleifen der Schaufelspitze 27 in die Beschichtung 22, 23 des Hitzeschilds 12 optimiert (in Fig. 3 ist der mögliche Einschleifbereich 28 am Hitzeschild durch eine gestrichelte Linie angedeutet).

  

[0015]    Als beim Einschleifen abzuschleifende Schicht ist am Hitzeschild 12 eine Wärmedämmschicht 23 vorgesehen, die über eine dazwischen liegende Haftschicht 22 mit dem Substrat des Hitzeschilds 12 verbunden ist. Als Haftschicht 22 kann in üblicher Weise eine metallische Oxidationsschutzschicht aus MCrAIY vorgesehen werden.

  

[0016]    Bei Versuchen hat sich nun herausgestellt, dass ein Einschleifen der Schaufelspitze in die Wärmedämmschicht 23 auch ohne spezielle Schleifschicht auf der Schaufelspitze 27 möglich ist und zu guten Resultaten führt, wenn die Wärmedämmschicht 23 - ohne ihre thermischen Eigenschaften zu verlieren -ausreichend leicht abzuschleifen ist. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass eine poröse Wärmedämmschicht 23 verwendet wird.

  

[0017]    Besonders geeignet als Wärmedämmschicht 23 ist dabei eine poröse Keramikschicht, die insbesondere aus YSZ (Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid) bestehen kann, wobei die Porosität beispielsweise durch eingelagerte Polymere erzeugt wird, die später ausgeheizt werden. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Porosität der Wärmedämmschicht grösser 20 % ist, also beispielsweise im Bereich von 22-24% liegt.

  

[0018]    Bei einer solchen porösen Wärmedämmschicht 23 ist beim Einschleifen der Abrieb an der Schaufelspitze 27 gegenüber der Tiefe des Einschleifbereichs 28 vergleichsweise klein, so dass auf eine spezielle Schleifschicht an der Schaufelspitze 27 verzichtet werden kann. Es reicht daher aus, wenn die Schaufelspitze 27 mit einer homogenen Abdeckschicht 24 (ohne Schleifkörper) aus MCrAIY bedeckt ist, die als Schutzschicht gegen die Oxidation des Schaufelmaterials ohnehin vorgesehen ist.

  

[0019]    Auf diese Weise brauchen an der Schaufel 11 keine besonderen Vorkehrungen für das Einschleifen getroffen werden, wodurch sich die Herstellung der Schaufel 11 wesentlich vereinfacht.

Bezugszeichenliste

  

[0020]    
<tb>10, 20, 30<sep>Schaufelanordnung (Gasturbine)


  <tb>11<sep>Laufschaufel


  <tb>12<sep>Hitzeschild


  <tb>13<sep>Heissgaskanal


  <tb>14, 15, 24<sep>Abdeckschicht


  <tb>16<sep>Achse


  <tb>17,22<sep>Haftschicht


  <tb>18,23<sep>Wärmedämmschicht (TBC)


  <tb>19<sep>Trägerschicht


  <tb>21<sep>Schleifkörper


  <tb>25<sep>Spiel


  <tb>26<sep>Wand (Heissgaskanal)


  <tb>27<sep>Schaufelspitze


  <tb>28<sep>Einschleifbereich

Claims

1. Schaufelanordnung (30) einer thermischen Strömungsmaschine mit wenigstens einer Schaufel (11), welche in radialer Richtung in einen zu einer Achse (16) konzentrisch angeordneten Heissgas durchströmten Kanal (13) hineinragt und in einer Schaufelspitze (27) endet, die mit einem Spiel (25) einem den Kanal (13) begrenzenden Hitzeschild (12) gegenüber liegt, wobei die Schaufel (11) und der Hitzeschild (12) in Umfangsrichtung relativ zueinander beweglich sind, und die Schaufelspitze (27) und der Hitzeschild (12) mit Schichten (22, 23, 24) bedeckt sind, welche ein gezieltes Einschleifen der Schaufelspitze (27) in den Hitzeschild (12) ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild (12) als äussere, abschleifbare Schicht eine poröse Wärmedämmschicht (23) aufweist, und dass die Schaufelspitze (27) mit einer homogenen metallischen Abdeckschicht (24) versehen ist.

2. Schaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Strömungsmaschine eine Gasturbine ist, dass die Schaufel eine um die Achse (16) rotierende Laufschaufel (11) ist, und dass der Hitzeschild (12) am Stator der Gasturbine ortsfest montiert ist.

3. Schaufelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (23) eine poröse Keramikschicht, insbesondere aus YSZ, ist.

4. Schaufelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Wärmedämmschicht (23) grösser 20% ist.

5. Schaufelanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, das zwischen dem Hitzeschild (12) und der Wärmedämmschicht (23) eine Haftschicht (22), insbesondere aus MCrAIY, angeordnet ist.

6. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Abdeckschicht (24) aus MCrAIY besteht.

7. Schaufelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel (11) Teil der ersten Laufschaufelreihe im Turbinenteil der Gasturbine ist.