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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum Oberflächenbeschichten einer Turbomaschinenschaufel
gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Verfahrensanspruchs.
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Aufgrund
der in modernen Turbomaschinen oder auch Turbogruppen üblichen
hohen Prozesstemperaturen und Prozessdrücke ist es zumeist erforderlich,
die in der Turbomaschine oder Turbogruppe eingesetzten Schaufeln
oder wenigstens einen Teil hiervon mit einer Wärmedämmschicht oder einer anderweitigen
Beschichtung zu versehen. Dies betrifft insbesondere die Schaufeln
von Turbinen, die stromab einer Brennkammer angeordnet sind. Hierbei
ist es in der Regel nicht erforderlich oder insbesondere auch aus
Wärmeleitgründen unerwünscht, die
Schaufel vollständig
mit einer Beschichtung zu versehen. In der Regel ist es ausreichend,
nur diejenigen Oberflächen
mit einer Beschichtung zu versehen, die unmittelbar dem heißen Strömungsfluid
ausgesetzt sind. Dies ist üblicherweise
einerseits das Schaufelblatt als auch andererseits die strömungszugewandten
Oberflächen
des Schaufelfußes
sowie eines eventuell vorhandenen Deckbandes. Der Schaufelfuß und das
Deckband sind plattformartig ausgebildet, wobei die Plattformen
durch Aneinanderreihung einer Vielzahl von Schaufeln am Umfang der Turbomaschine
den Strömungskanal
bilden.
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Fertigungstechnisch
werden die Schaufeln nach dem Gießen und der Feinbearbeitung
dem Beschichtungsprozess unterworfen, bei dem die gewünschte Beschichtung
aufgebracht wird. Hierfür
geeignete Beschichtungsverfahren, beispielsweise Sputtern, sind
aus dem Stand der Technik bekannt.
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Üblicherweise
wird der nach dem Gießen und
der Feinbearbeitung erhaltene Schaufelrohling am Schaufelfuß und/oder
an dem Deckband mittels einer Einspannvorrichtung eingespannt. Die
Einspannung erfolgt üblicherweise
durch Klemmung. Während
des Beschichtungsvorgangs ist der Schaufelrohling dann mittels der
Einspannvorrichtung gehaltert und kann nach Bedarf auch bewegt und
insbesondere rotiert werden. Die Einspannung über die Einspannvorrichtung
muß so
hinreichend sein, dass sich der Schaufelrohling nicht während des
Beschichtungsvorgangs infolge der Rotation oder der hohen bis sehr
hohen Temperaturen löst.
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Ein
mit einem Deckband ausgestatteter Schaufelrohling wird in der Regel
an dem einem Ende, in der Regel am Schaufelfuß, in der Einspannvorrichtung
eingespannt, d.h. die Einspannvorrichtung deckt den Schaufelrohling
in dem eingespannten Bereich ab. Der eingespannte Bereich des Schaufelrohlings
ist somit gegen das Aufbringen einer Beschichtung abgeschirmt. Um
auch an dem anderen Ende des Schaufelrohlings beispielsweise die
schaufelabgewandte Außenseite
von der Beschichtung auszunehmen, wird üblicherweise eine sogenannte
Schattenleiste ("shadow
bar") an der Deckband-Plattform mittels
Klemmung angebracht. Auch hier ist insbesondere darauf zu achten,
dass die Klemmung hinreichend ist, um ein versehentliches Lösen der
Schattenleiste während
des Beschichtungsvorgangs auszuschließen.
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Aus
Gründen
der Gewichtsersparnis und/oder aus aerodynamischen Gründen und/oder aus
Gründen
der Kühlung
werden die Plattformen insbesondere der Deckbänder bei modernen Turbomaschinenschaufeln
heutzutage oftmals mit einer kleinen oder sogar einer sehr kleinen
Dicke ausgeführt.
Das Anbringen einer Schattenleiste in herkömmlicher Weise ist hierbei
nicht mehr möglich. Eine
hinreichende reibschlüssige
Klemmung der Schattenleisten während
des Beschichtungsvorgangs wäre
hier nicht mehr sichergestellt. Die so in herkömmlicher Weise an der Plattform
befestigte Schattenleiste würde
sich während
des Beschichtungsvorgangs lösen,
wodurch es zu einer fehlerhaften Beschichtung käme.
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Darstellung der Erfindung
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Hier
will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt somit die
Aufgabe zugrunde, eine Anordnung sowie ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, mit welchen die Nachteile des Standes der
Technik vermieden werden.
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Die
Erfindung trägt
dazu bei, dass eine Abdeckvorrichtung auch an solchen Plattformen
von Turbomaschinenschaufeln angebracht werden können, bei denen die Plattform
eine nur kleine oder nur sehr kleine Dicke aufweist, und eine hinreichende Befestigung
der Abdeckvorrichtung an der Plattform während eines Beschichtungsvorgangs
gewährleistet
ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt soll eine Mehrarbeit zur Beseitigung etwaiger Halteelemente oder
eine nachhaltige Schwächung
der Schaufel im Bereich der Plattform als Folge der Befestigung
einer Abdeckvorrichtung durch die Erfindung vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Anordnung gemäss
Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
zum Oberflächenbeschichten
eines ersten Bereichs einer Turbomaschinenschaufel umfasst eine
Turbomaschinenschaufel sowie eine Abdeckvorrichtung. Die Turbomaschinenschaufel
(im Weiteren auch nur als Schaufel bezeichnet) umfasst ein Schaufelblatt
und wenigstens eine das Schaufelblatt in Schaufelblattlängsrichtung
abschließende
Plattform, wobei die Plattform einen im Wesentlichen rechteckförmigen Grundriss
mit wenigstens zwei einander gegenüberliegenden oder näherungsweise
einander gegenüberliegenden
Seitenflächen
aufweist und sich im Wesentlichen lotrecht zur Schaufelblattlängsrichtung
erstreckt.
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Die
Abdeckvorrichtung umfasst wenigstens ein Abdeckelement, wie beispielsweise
eine oder mehrere Schattenleisten, und zweckmäßig zusätzlich ein oder mehrere Vorspannungselemente,
wie beispielsweise Vorspannungsstege und/oder Vorspannungsplatten.
Das Abdeckelement der Abdeckvorrichtung dient zur Abdeckung eines
von der Aufbringung der Beschichtung auszunehmenden, zweiten Bereichs
der Turbomaschinenschaufel.
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Zum
Anbringen der Abdeckvorrichtung an der Turbomaschinenschaufel ist
in jeder der zwei Seitenflächen
wenigstens eine Vertiefung zur Aufnahme wenigstens eines Abschnitts
eines Eingriffselements vorgesehen. Des Weiteren umfasst die Abdeckvorrichtung
wenigstens zwei Eingriffselemente, die so an dem Abdeckelement und/oder
an dem einen oder den mehreren Verspannungselementen angeordnet
sind, dass bei Anordnung der Abdeckvorrichtung zur Abdeckung des
zweiten Bereichs jeweils ein Eingriffselement mit jeweils einer
Vertiefung in Eingriff steht. Hierbei weisen die Eingriffselemente zweckmäßig voneinander
abweichende Eingriffsrichtungen, vorzugsweise entgegengesetzte oder
näherungsweise
entgegengesetzte Eingriffsrichtungen, auf.
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Dadurch,
dass die Eingriffselemente in die Vertiefungen eingreifen, wird
die Abdeckvorrichtung formschlüssig
mit der Plattform verbunden. Auch bei einer nur kleinen oder sogar
nur sehr kleinen Dicke der Plattform kann somit eine hinreichend
feste Verbindung zwischen der Abdeckvorrichtung und der Plattform
der Turbomaschinenschaufel erzielt werden, um ein versehentliches
Lösen der
Abdeckvorrichtung während
des Beschichtungsvorgangs der Turbomaschinenschaufel auszuschließen. Während des
Beschichtungsvorgangs des ersten Bereichs der Schaufel ist der zweite
Bereich somit zuverlässig
von der Abdeckvorrichtung abgedeckt. Hierdurch ist sichergestellt,
dass im zweiten Bereich der Schaufel kein Beschichtungsmaterial
aufgebracht wird.
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Zusätzlich kann
es auch sinnvoll sein, die Abdeckvorrichtung auch durch Klemmung
und somit durch Reibschluss mit der Plattform zu verbinden.
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Da
die Seitenflächen
der Plattformen im Betrieb einer Turbomaschine üblicherweise keinen hohen Kräften ausgesetzt
sind, wird durch das Anbringen einer oder mehreren Vertiefungen
die Betriebsfestigkeit und somit die Lebensdauer der Schaufel nicht
oder nur unwesentlich vermindert.
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Zweckmäßig sind
die in den Seitenflächen vorgesehenen
Vertiefungen als Nuten ausgebildet. Vorzugsweise werden die Nuten
bereits beim Gießen der
Schaufel hergestellt. Die Nuten können aber auch nach dem Gießen beispielsweise
durch Fräsen oder
Erodieren in die Seitenflächen
eingebracht werden.
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Um
eine erhöhte
Festigkeit der Eingriffselemente gegen Querkräfte, die während des Beschichtungsprozesses
wirken, zu gewährleisten,
sind die Vertiefungen zweckmäßig als
Schlitznuten ausgeführt.
Schlitznuten können
trotz geringer Schlitzbreite, die aufgrund der geringen Dicke der
Plattform nicht größer dimensioniert
werden kann, große
Querkräfte übertragen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Eingriffselemente
als Eingriffslaschen ausgebildet. Die Eingriffslaschen können entweder
mit dem Abdeckelement der Abdeckvorrichtung oder auch mit dem Verspannelement
der Abdeckvorrichtung verbunden oder einteilig mit dem jeweiligen
Element der Abdeckvorrichtung ausgeführt sein. Zur Befestigung der
Abdeckvorrichtung an der Schaufel dringt wenigstens ein Abschnitt der
jeweiligen Eingriffslasche in die jeweilige Vertiefung ein.
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Zweckmäßig sind
die Eingriffselemente passgenau mit jeweils derselben Kontur wie
die zugeordnete Vertiefung ausgebildet.
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Grundsätzlich kann
die erfindungsgemäße Anordnung
zur Befestigung einer Abdeckvorrichtung sowohl auf ein als Plattform
ausgebildetes Deckbandelement als auch auf einen als Plattform ausgebildeten
Schaufelfuß angewendet
werden. Die Schaufel kann als Leitschaufel oder als Laufschaufel
ausgebildet sein und in einer Turbine oder einem Verdichter zum
Einsatz kommen.
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Die
erfindungsgemäße Befestigung
einer Abdeckvorrichtung eignet sich insbesondere für Innendeckbandelemente.
Erfolgt die Befestigung der Abdeckvorrichtung erfindungsgemäß, so kann
das Innendeckbandelement mit einer sehr geringen Dicke ausgeführt werden,
was hinsichtlich Gewicht und Bauvolumen große Vorteile mit sich bringt.
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Bei
Aneinanderreihung einer Vielzahl erfindungsgemäß ausgeführter Schaufeln am Umfang einer
Turbomaschine bilden die Innendeckbandelemente der Schaufeln dann
die nabenseitige Strömungskanalwand.
Die Leitschaufeln sind hierbei üblicherweise über den
Schaufelfuß im
Gehäuse
der Turbomaschine gehaltert. Hier liegt somit eine Materialverbindung
vor, über
die Wärme
aus der Schaufel in das Gehäuse
abfließen
kann. Zwischen der Schaufel und der Nabe existiert hingegen keine
Materialverbindung. Ein Wärmeabfluss
aus der Schaufel in Richtung der Nabe kann somit nur über die
Kühlluft erfolgen,
die den Spalt zwischen dem Innendeckbandelement und der Nabe durchströmt. Hierzu
muss aber ein möglichst
guter Wärmeübergang
von dem Innendeckbandelement auf die Kühlluft sichergestellt sein,
so dass es hier von besonderer Bedeutung ist, dass in diesem Bereich,
d.h. auf der dem Schaufelblatt abgewandten Seite der Plattform,
keine den Wärmeübergang
behindernde Beschichtung aufgebracht ist.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Anordnung umfasst die Abdeckvorrichtung
wenigstens eine als Abdeckelement ausgeführte Schattenleiste sowie zusätzlich zweckmäßig wenigstens
ein Verspannungselement. Abdeckelement und Verspannungselement können auch
einteilig ausgeführt
sein. Das Verspannungselement kann als Verspannungssteg oder auch
als Verspannungsplatte ausgebildet sein, wobei die Verspannungsplatte
im Vergleich zum Verspannungssteg im Wesentlichen lediglich mit
dickeren Wandstärken
ausgebildet ist. Die Schattenleiste dient dazu, ein Übersprühen von
Beschichtungsmaterial in den von der Schattenleiste abgedeckten
Bereich, in dem keine Beschichtung aufgebracht werden soll, zu verhindern.
Der Verspannungssteg bzw. die Verspannungsplatte dient primär dazu,
eine Spannkraft bereitzustellen, die dazu genutzt wird, die in die
Vertiefungen eingreifenden Eingriffselemente in den Vertiefungen
zu fixieren. Des Weiteren dient das Verspannungselement teilweise auch
dazu, einen zusätzlichen
Bereich, der nicht beschichtet werden soll, während des Beschichtungsvorgangs
abzudecken.
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Der
Verspannungssteg bzw. die Verspannungsplatte ist vorzugsweise U-förmig ausgebildet mit einer
Bodenplatte und wenigstens zwei Seitenplatten. Die Bodenplatte weist
vorteilhaft denselben oder im Wesentlichen denselben Grundriss auf
wie die Plattform. Die Seitenplatten sind vorteilhaft an gegenüberliegenden
Seiten der Bodenplatte im Wesentlichen lotrecht zur Bodenplatte
angeordnet. Die Eingriffselemente sind dann zweckmäßig an den
Seitenplatten des Verspannungsstegs bzw. der Verspannungsplatte
angeordnet und sind zweckmäßig einteilig
mit den Seitenplatten ausgebildet.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
sind an jeder der beiden Seitenflächen eine Mehrzahl von Vertiefungen
angeordnet. Dementsprechend umfasst auch die Abdeckvorrichtung eine
Mehrzahl von Eingriffselementen, nämlich jeweils wenigstens ein
Eingriffselement je Vertiefung.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Oberflächenbeschichten
eines ersten Bereichs einer Turbomaschinenschaufel zur Verfügung, wobei
ein zweiter Bereich der Turbomaschinenschaufel gezielt von dem Oberflächenbeschichten
ausgenommen ist. Die Turbomaschinenschaufel umfasst, wie oben bereits
ausgeführt,
ein Schaufelblatt und eine das Schaufelblatt in Schaufelblattlängsrichtung
abschließende
Plattform. Die Plattform weist einen im Wesentlichen rechteckförmigen Grundriss
mit wenigstens zwei gegenüberliegenden
oder näherungsweise
gegenüberliegenden
Seitenflächen
auf und erstreckt sich im Wesentlichen lotrecht zur Schaufelblattlängsrichtung.
Des Weiteren wird zur Durchführung
des Verfahrens eine Abdeckvorrichtung zum Abdecken eines zweiten
Bereichs der Turbomaschinenschaufel, der nicht beschichtet werden
soll, verwendet. Zum Anbringen der Abdeckvorrichtung an der Turbomaschinenschaufel
sind an den Seitenflächen
jeweils wenigstens eine Vertiefung zur Aufnahme eines Abschnitts
eines Eingriffselements angeordnet. Die Abdeckvorrichtung umfasst wenigstens
ein Abdeckelement sowie wenigstens zwei Eingriffselemente, die so
angeordnet sind, dass bei Anordnung der Abdeckvorrichtung zur Abdeckung
des zweiten Bereichs jeweils ein Eingriffselement mit jeweils einer
Vertiefung in Eingriff steht, wobei die Eingriffselemente zweckmäßig voneinander abweichende
Eingriffsrichtungen, vorzugsweise entgegengesetzte oder näherungsweise
entgegengesetzte Eingriffsrichtungen, aufweisen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst die Verfahrensschritte, die Abdeckvorrichtung an der Turbomaschinenschaufel
anzubringen, die Turbomaschinenschaufel in einer Beschichtungsanlage
gemäß einem
aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtungsverfahren zu beschichten,
und die Abdeckvorrichtung von der Turbomaschinenschaufel zu entfernen.
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Zweckmäßig werden
die Vertiefungen nach dem Entfernen der Abdeckvorrichtung nicht
verschlossen, wodurch der Arbeitsaufwand gering gehalten wird.
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Besonders
zweckmäßig dient
die oben beschriebene, erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren illustrierten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
einer perspektivischen Ansicht einen Abschnitt einer Schaufel, die
als Teil einer erfindungsgemäß ausgeführten Anordnung
zur Oberflächenbeschichtung
ausgebildet ist;
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2 eine
perspektivische Seitenansicht der Schaufel aus 1;
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3 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgeführten Beschichtungsanordnung
umfassend eine Schaufel und ein an der Schaufel befestigter Verspannungssteg
mitsamt zwei Schattenleisten;
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4 einen
Längsschnitt
durch die Beschichtungsanordnung aus 3;
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5 einen
weiteren Schnitt durch die Beschichtungsanordnung aus 3;
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6 eine
Detailansicht einer weiteren erfindungsgemäß ausgeführten Beschichtungsanordnung.
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In
den Figuren sind nur die für
das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente und Bauteile dargestellt.
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Die
dargestellten Ausführungsbeispiele
sind rein instruktiv zu verstehen und sollen einem besseren Verständnis dienen,
jedoch nicht als Einschränkung
des Erfindungsgegenstands verstanden werden.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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In 1 ist
in einer perspektivischen Ansicht ein Abschnitt einer Turbomaschinenschaufel 10 dargestellt,
die als Teil einer erfindungsgemäß ausgeführten Beschichtungsanordnung
ausgebildet ist. In 1 ist die Druckseite 11-1 der
hier als Turbinenleitschaufel einer dritten Turbinenstufe ausgeführten Turbomaschinenschaufel 10 dargestellt. 2 zeigt die
Schaufel aus 1 in einer Rückansicht, somit die Saugseite 11-2 der
Schaufel 10.
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Die
hier dargestellte Turbomaschinenschaufel 10 umfasst ein
Schaufelblatt 12 und ein das Schaufelblatt in Schaufelblattlängsrichtung
abschließendes,
als Plattform ausgeführtes
Innendeckbandelement 15, die sich im Wesentlichen lotrecht
zur Schaufelblattlängsrichtung 13 erstreckt.
Das Deckbandelement 15 weist einen rechteckförmigen Grundriss
auf mit insgesamt vier Seitenflächen 16-1, 16-2, 16-3 und 16-4,
wovon jeweils zwei Seitenflächen 16-1 und 16-3 sowie 16-2 und 16-4 einander gegenüberliegen.
Das hier dargestellte Deckbandelement 15 ist dreilagig
aufgebaut, wobei die untere, schaufelblattabgewandte Lage 15-1 als
Waben- oder Anlaufelement, die mittlere Lage 15-2 als Deckbandelementgrundelement
und die obere, schaufelblattzugewandte Lage 15-3 als Decklage
ausgebildet ist.
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Um
insbesondere die Seitenflächen 16-1, 16-3 und 16-2 des
Deckbandelements 15 sowie auch die Unterseite des Deckbandelements 15 während eines
Beschichtungsvorgangs von dem Aufbringen einer Beschichtung ausnehmen
zu können,
müssen die
Seitenflächen 16-1, 16-3 und 16-2 und
auch die Unterseite mittels einer Abdeckvorrichtung während des
Beschichtungsvorgangs abgedeckt werden. Die Abdeckvorrichtung ist
hierzu an der Turbomaschinenschaufel 10 zu befestigen.
In herkömmlicher
Weise werden hierzu Schattenleisten als Abdeckelemente an den Seitenflächen der
Plattform festgeklemmt, die die von der Beschichtung auszunehmenden
Seitenflächen
abdecken. Da das Deckbandelement 15 der Schaufel aber nur
eine geringe Dicke aufweist, ist es hier nicht möglich, Schattenleisten in bekannter Weise
an den Seitenflächen
zu klemmen. Die allein durch Klemmung erzielte Befestigung wäre nicht ausreichend
und die Abdeckvorrichtung könnte
sich als Folge der Rotation und der Temperaturbelastung während des
Beschichtungsvorgangs lösen.
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Um
die Abdeckvorrichtung dennoch sicher an dem Deckbandelement 15 befestigen
zu können, sind
gemäß der Erfindung
an jeder der zwei gegenüberliegenden
Seitenflächen 16-1 und 16-3 jeweils vier
Vertiefungen 17-1, 17-2, 17-3 und 17-4 sowie 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4 je
Seitenfläche 16-1 bzw. 16-3 vorgesehen,
die zur Aufnahme wenigstens eines Abschnitts eines Eingriffselements
dienen. Die Vertiefungen 17-1, 17-2, 17-3 und 17-4 sowie 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4 sind
hier als Schlitznuten in dem Deckbandelementgrundelement 15-2 des
Deckbandelements 15 ausgeführt mit einer Nutbreite, die
kleiner ist als die Dicke des Deckbandelementgrundelements 15-2,
einer Nutlänge,
die etwa dem 5 bis 8-fachen
der Nutbreite entspricht, sowie einer etwa der Nutbreite entsprechenden
Nuttiefe.
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Um
nun die Schaufel mittels eines aus dem Stand der Technik bekannten
Beschichtungsverfahrens, beispielsweise einem Sputtern, mit einer
Beschichtung zu versehen und gleichzeitig dafür Sorge zu tragen, dass die
Seitenflächen 16-1 und 16-3 sowie
vorzugsweise auch die schaufelblattabgewandte Unterseite 15-U des
Deckbandelements von der Beschichtung ausgenommen ist, können die
Seitenflächen 16-1 und 16-3 und
die Unterseite 15-U des Deckbandelements mit einer Abdeckvorrichtung
abgedeckt werden. Die Abdeckvorrichtung kann beispielsweise eine
oder mehrere Schattenleisten sowie ein oder mehrere Verspannungselemente
umfassen. Ferner weist die Abdeckvorrichtung eine Mehrzahl von Eingriffselementen
auf, die so angeordnet sind, dass jeweils wenigstens ein Eingriffselement
mit jeweils einer in dem Deckbandelement vorgesehenen Vertiefung
in Eingriff bringbar ist. Die Eingriffsrichtung der Eingriffselemente,
die mit den auf der Vorderseite des Deckbandelements angebrachten
Vertiefungen in Eingriff gebracht werden, ist hierbei entgegengesetzt
zu der Eingriffsrichtung derjenigen Eingriffselemente, die mit den
auf der Rückseite
des Deckbandelements angebrachten Vertiefungen in Eingriff gebracht
werden.
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In
den 3 bis 5 ist eine solche Anordnung
dargestellt, bei der eine Abdeckvorrichtung an einer Schaufel 10 befestigt
ist. Die hier dargestellte Abdeckvorrichtung umfasst zwei Schattenleisten 23-1 und 23-3 sowie
ein als Verspannungssteg 20 ausgeführtes Verspannungselement.
Das Verspannungselement könnte
alternativ auch als Verspannungsplatte ausgeführt sein.
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3 zeigt
die Anordnung in einer Seitenansicht, 4 einen
Längsschnitt
durch die Anordnung gemäß dem in 3 definierten
Schnittverlauf A-A und 5 einen weiteren Schnitt längs des
in 3 definierten Schnittverlaufs B-B.
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Bei
der in den 3 bis 5 dargestellten Schaufel 10 handelt
es sich um eine Turbinenleitschaufel einer zweiten Turbinenstufe.
In 3 ist die Schaufel 10 mit Schaufelfuß 14,
Schaufelblatt 12 und einem als Plattform ausgebildeten
Deckbandelement 15 dargestellt. Das Schaufelblatt 12 ist
in 3 verkürzt
dargestellt. Die Darstellung des Schaufelfußes 14 in 3 dient
primär
dem Größenvergleich.
Das als Plattform mit geringer Dicke ausgebildete Deckbandelement 15 weist,
wie in 4 dargestellt, einen im Wesentlichen rechteckförmigen Grundriss
auf mit vier Seitenflächen 16-1–16-4,
wovon jeweils zwei Seitenflächen 16-1 und 16-3 sowie 16-2 und 16-4 einander
gegenüberliegen.
Das Deckbandelement 15 erstreckt sich im Wesentlichen lotrecht
zur Schaufelblattlängsrichtung 13.
Auch hier ist das Deckbandelement 15 mehrlagig aufgebaut,
wobei die untere, schaufelblattabgewandte Lage 15-1 als
Waben- oder Anlaufelement, die mittlere Lage 15-2 als Cover
Plate und die obere, schaufelblattzugewandte Lage 15-3 als
gegossenes inneres Deckband ausgebildet ist. Die mittlere und obere
Lage 15-2 und 15-3 bilden hier das Deckbandgrundelement.
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In
einer Anordnung der Schaufel 10 in einer Turbomaschine
ist die Schaufel 10 über
den Schaufelfuß 14 mit
dem Gehäuse
der Turbomaschine verbunden, während
zwischen dem Deckbandelement 15 und einer Nabe der Turbomaschine
ein Spalt verbleibt. Das Heißgas
kommt im Wesentlichen mit dem Schaufelblatt 12 und den
strömungszugewandten Seiten
des Schaufelfußes 14 sowie
des Deckbandelements 15 in Berührung. Aus diesem Grund ist
es zwingend erforderlich oder zumindest zweckmäßig, die dem Heißgasstrom
exponierten Oberflächen
mit einer Wärmedämmschicht
zu beschichten. Umgekehrt darf die schaufelblattabgewandte Unterseite 15-U des Deckbandelements 15 jedoch
nicht mit einer Wärmedämmschicht
beschichtet werden, da ansonsten der Wärmeübergang von dem Deckbandelement 15 auf
eine den Spalt zwischen dem Deckbandelement und der Nabe durchströmende Kühlluftströmung erschwert
würde.
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Um
insbesondere die Seitenflächen 16-1 und 16-3 während eines
Beschichtungsvorgangs abzudecken und so dafür zu sorgen, dass in dem abgedeckten
Bereich kein Beschichtungsmaterial aufgebracht wird, können hier
erfindungsgemäß eine Abdeckvorrichtung,
die zwei Schattenleisten 23-1 und 23-3 sowie einen
Verspannungssteg 20 umfasst, an dem Deckbandelement 15 befestigt
werden. Während
die Schattenleisten 23-1 und 23-3 die beiden Seitenflächen 16-1 und 16-3 abdecken,
deckt der Verspannungssteg 20 hier zusätzlich auch noch die Seitenfläche 16-2 sowie
die Unterseite 15-U des Deckbandelements 15 ab.
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Zur
Befestigung der Abdeckvorrichtung an dem Deckbandelement 15 sind
an zwei gegenüberliegenden
Seitenflächen 16-1 und 16-3 des
Deckbandelements 15 Vertiefungen angebracht, in die Eingriffselemente
der Abdeckvorrichtung eingreifen können.
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Die
in den Seitenflächen 16-1 und 16-3 ausgebildeten
Vertiefungen sind gut in 3 zu erkennen. In der einen
Seitenfläche 16-1 des
Deckbandelements 15 sind hier drei als Schlitznuten ausgeführte Vertiefungen 17-1–17-3 und
in der anderen Seitenfläche 16-3 des
Deckbandelements 15 vier als Schlitznuten ausgeführte Vertiefungen 18-1–18-4 angeordnet.
Die als Schlitznuten ausgeführten
Vertiefungen sind jeweils mit einer Nutbreite, die kleiner ist als
die Dicke des Plattformgrundelements, einer Nutlänge, die etwa dem 5 bis 8-fachen
der Nutbreite entspricht, sowie einer etwa der Nutbreite entsprechenden
Nuttiefe ausgebildet.
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Die
als Eingriffslaschen 25-1–25-3 sowie 26-1–26-4 ausgebildeten
Eingriffselemente sind hier einteilig mit dem Verspannungssteg 20 ausgebildet. Wie
in den 4 und 5 zu erkennen ist, greifen die
Eingriffslaschen 25-1–25-3 sowie 26-1–26-4 zur Befestigung
der Abdeckvorrichtung an dem Deckbandelement 15 in die
Schlitznuten 17-1– 17-3 sowie 18-1–18-4 des
Deckbandelements 15 ein. Jede Eingriffslasche 25-1–25-3 sowie 26-1–26-4 ist
hierzu jeweils passgenau mit jeweils derselben Kontur wie die zugeordnete
Vertiefung 17-1–17-3 sowie 18-1–18-4 ausgebildet.
Die Eingriffsrichtung der Laschen 25-1–25-3, die in die
Vertiefungen 17-1–17-3 der
einen Seitenfläche 16-1 eingreifen,
ist hierbei entgegengesetzt zu der Eingriffsrichtung der Laschen 26-1–26-4,
die in die Vertiefungen 18-1–18-4 der anderen
Seitenfläche 16-3 eingreifen.
Somit ist hierdurch eine formschlüssige Verbindung des Verspannungsstegs 20 mit
der Plattform der Schaufel geschaffen, die auch bei schnelleren
Drehbewegungen der Schaufel und zusätzlich hohen Temperaturen eine
sichere Fixierung des Verspannungsstegs und der mit dem Verspannungssteg
verbundenen Schattenleisten 23-1 und 23-3 gewährleistet.
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Der
Verspannungssteg 20 ist hier U-förmig ausgebildet mit einer
Bodenplatte 21 und insgesamt drei Seitenplatten 22-1–22-3,
wobei die Bodenplatte 21 näherungsweise denselben Grundriss
aufweist wie das Deckbandelement 15. Die drei Seitenplatten 22-1–22-3 sind
an drei Seiten der Bodenplatte 21 im Wesentlichen lotrecht
zur Bodenplatte 21 angeordnet, wobei die zwei Seitenplatten 22-1 und 22-3,
an denen die Eingriffslaschen 25-1–25-3 sowie 26-1–26-4 angeordnet
sind, an einander gegenüberliegenden
Seiten der Bodenplatte 21 angeordnet sind. Die Eingriffslaschen 25-1–25-3 sowie 26-1–26-4 sind
hier einteilig mit der jeweiligen Seitenplatte 22-1 bzw. 22-3 ausgebildet.
An den Außenseiten
der Seitenplatten 22-1 und 22-3 sind die Schattenleisten ("Shadow Bar") 23-1 und 23-3 angeordnet.
Die Schattenleisten 23-1 und 23-3 sind hier über eine Schweißung mit
den Seitenplatten 22-1 und 22-3 verbunden. In
vielen Fällen
genügt
als Verbindung aber auch eine Hartlötung oder eine anderweitige
Verbindung. Die Schattenleisten 23-1 und 23-3 verhindern ein
unerwünschtes Übersprühen von
Beschichtungsmaterial auf die Seitenflächen des Deckbandelements 15 infolge
der während
der Rotation wirkenden Fliehkräfte.
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6 zeigt
in einer Detailansicht die Wirkweise der Schattenleisten. Um ein
Verkleben der Schattenleiste 23-1 mit der Seitenfläche 16-1 des Deckbandelements 15 zu
verhindern, verbleibt zwischen der Schattenleiste 23-1 und
der Seitenfläche 16-1 des
Deckbandelements 15 ein Spalt S. Wird nun Beschichtungsmaterial
entsprechend den Pfeilen 27 von außen aufgesprüht, so verhindert
die Schattenleiste 23-1, dass Beschichtungsmaterial auf
die Seitenfläche 16-1 des
Deckbandelements 15 gelangt. Während das dem Heißgasstrom
ausgesetzte Schaufelblatt 12 mit einer Beschichtung versehen wird,
wird die Seitenfläche 16-1 mittels
der Abdeckvorrichtung somit von der Beschichtung ausgenommen.
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Zur
Durchführung
eines Beschichtungsvorgangs wird zunächst der Verspannungssteg 20 mitsamt
den Schattenleisten 23-1 und 23-3 an der Turbomaschinenschaufel 10 angebracht.
Hierzu werden die Seitenplatten 22-1 und 22-3 des
Verspannungsstegs 20 hinreichend weit aufgebogen, so dass
der Verspannungssteg 20 in die gewünschte Position auf das Deckbandelement 15 aufgesetzt
werden kann. Die Seitenplatten 22-1 und 22-3 sind
hinreichend dünn
ausgeführt,
um elastisch aufgebogen werden zu können und nach dem Aufbiegen
wieder elastisch in ihre Ausgangspositionen zurückzufedern. Nach dem Aufsetzen
des Verspannungsstegs 20 auf das Deckbandelement 15 federn
die Seitenplatten 22-1 und 22-3 somit wieder in
ihre Ausgangsposition zurück,
wobei die Eingriffslaschen 25-1–25-3 sowie 26-1–26-4 in
die Schlitznuten 17-1–17-3 sowie 18-1–18-4 eingreifen.
Der Verspannungssteg 20 sowie die Schattenleisten 23-1 und 23-3 sind
hierdurch in ihrer Position an dem Deckbandelement 15 fixiert. Danach
erfolgt der eigentliche Beschichtungsvorgang in einer Beschichtungsanlage
gemäß einem aus
dem Stand der Technik bekannten Beschichtungsverfahren. Nach dem
Beschichten wird der Verspannungssteg 20 von der Turbomaschinenschaufel 10 entfernt.
Es ist hier nicht erforderlich, die Schlitznuten 17-1–17-3 sowie 18-1–18-4 nach
dem Entfernen des Verspannungsstegs 20 und der Schattenleisten 23-1 und 23-3 zu
verschließen.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt darin, dass die in der Turbomaschinenschaufel vorzusehenden
Vertiefungen 17-1–17-3 sowie 18-1–18-4 keine
oder nur sehr geringe nachteilige Auswirkungen auf die Festigkeit
oder auf andere schaufelfunktionsrelevante Aspekte haben. Insofern können solche
Vertiefungen auch an bereits ausgelegten Schaufeln nachträglich vorgesehen
werden, ohne die Auslegung der Schaufel und hier insbesondere die
Dicke des Deckbandelements und dadurch den Verlauf des Strömungskanals
verändern
zu müssen.
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Einzig
ist darauf zu achten, dass eventuelle Kühlkanalbohrungen, die in der
Plattform verlaufen, nicht durch die Vertiefungen geführt werden.
Dies ist auch der Grund, warum in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 3 bis 5 in
der zweiten Seitenfläche 16-3 vier
Vertiefungen 18-1–18-4 angeordnet sind,
wovon zwei mit längerer
Nutlänge
(18-1 und 18-2) und zwei mit kürzerer Nutlänge (18-3 und 18-4) ausgeführt sind.
Wie in 4 dargestellt ist, verlaufen hier zwischen und
neben den kürzeren
Schlitznuten 18-3 und 18-4 in der Seitenfläche 16-3 Kühlkanalbohrungen 24-1–24-4,
durch die im Betrieb verbrauchtes Kühlfluid aus dem Inneren des
Deckbandelements nach außen
geführt
wird. Das Kühlfluid
wird über
den Schaufelfuß zugeführt und
durchströmt
zunächst
das Schaufelblatt bevor es in das hohl ausgeführte Deckbandelement und von
hier über
die Kühlkanalbohrungen
auf die Schaufelaußenseite
gelangt.
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Die
im Zusammenhang mit den 1 bis 5 beschriebene
Anordnung sowie das Verfahren stellen beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung dar, die von einem Fachmann durchaus in vielfältiger Weise
ohne Weiteres modifiziert werden können, ohne den Erfindungsgedanken
hierdurch zu verlassen.
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- 10
- Turbomaschinenschaufel
- 11-1
- Druckseite
der Schaufel
- 11-2
- Saugseite
der Schaufel
- 12
- Schaufelblatt
- 13
- Schaufelblattlängsrichtung
- 14
- Schaufelfuß
- 15
- Deckbandelement/Plattform
- 15-1
- untere
Lage des Deckbandelements
- 15-2
- mittlere
Lage des Deckbandelements
- 15-3
- obere
Lage des Deckbandelements
- 15-U
- Unterseite
des Deckbandelements/der Plattform
- 16-1–16-4
- Seitenflächen des
Deckbandelements
- 17-1–17-4
- Vertiefungen/Schlitznuten
- 18-1– 18-4
- Vertiefungen/Schlitznuten
- 20
- U-förmiger Verspannungssteg
- 21
- Bodenplatte
- 22-1–22-3
- Seitenplatten
- 23-1,
23-3
- Schattenleisten
("Shadow Bar")
- 24-1–24-4
- Kühlkanalbohrungen
- 25-1–25-3
- Eingriffslaschen
- 26-1–26-4
- Eingriffslaschen
- 27
- Strömungsrichtung
des Beschichtungsmaterials
- S
- Spalt