DE102005055391A1

DE102005055391A1 - Wärmedämmschicht für die Seitenflächen von Turbinenschaufelplattformen und Aufbringverfahren

Info

Publication number: DE102005055391A1
Application number: DE102005055391A
Authority: DE
Inventors: Michael Gary Itzel; Ariel Caesar-Prepena Jacala
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2006-06-08
Also published as: CN1782331A; JP2006144795A; US20060110254A1

Abstract

Nuten (26) werden entlang von Bereichen der Seitenkanten (22) einer Turbinenschaufelplattform (14) gebildet und öffnen sich durch die Seitenkanten der Plattformfläche, die an die Heißgasströmungsstrecke der Turbine grenzt. In die Nut wird nacheinander eine Haftvermittlerschicht (28) und eine Wärmedämmschicht (30) eingebracht, die vorzugsweise durch Plasmabeschichtung auf die Haftvermittlerschicht gespritzt wird. Die Wärmedämmschicht ragt schützend über die unbeschichtete metallische Fläche der Plattformseite hinaus und wird anschließend angeraut oder geschliffen, damit sie bündig mit der unbeschichteten metallischen Fläche abschließt. Die Seitenflächen der Plattform weisen somit eine Wärmedämmschicht zur Reduzierung der Oxidation auf.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf den Seitenflächen der Plattform einer Turbinenschaufel aufgebrachte Wärmedämmschicht und ein entsprechendes Aufbringverfahren.
Im Laufe der Jahre wurden Gasturbinen mit immer höheren Verbrennungstemperaturen entwickelt, um die Leistung und den Wirkungsgrad der Turbinen zu verbessern. Da in der Gasströmungsstrecke höhere Temperaturen herrschen, sind die Schaufelplattformen in zunehmenden Maße Beanspruchungen wie Oxidation, allmählicher Verformung und Kurzzeitermüdung ausgesetzt. In bestimmten Turbinen mit einem geschlossenen Dampfkühlungskreislauf in den ersten zwei Schaufel- und Düsenstufen sind die Einlassprofile so aufgebaut, dass an den Plattformen nahezu die Spitzentemperaturen erreicht werden, die an der Schaufelreihe herrschen. Die potenzielle Beanspruchung an den Schaufelplattformen nimmt weiter zu, wenn die Plattformen noch heißer werden.

In vielen älteren Turbinenkonstruktionen benötigten die Schaufelplattformen keine Dämmschicht, um die von den Verbrennungstemperaturen hervorgerufenen Oxidationsbeanspruchungen zu verhindern. Die Verbrennungstemperaturen waren nicht hoch genug, um größere Schäden zu verursachen. Außerdem führte die Filmkühlungswärmeübertragung von den stromaufwärts angeordneten Leitradseitenwänden tendenziell zu einer Absenkung der an den Plattformen herrschenden Temperaturen unter die resultierende diagonale Trennlinie des Eintrittstemperaturprofils. In Anbetracht der immer höheren Verbrennungstemperaturen wurden die an die Heißgasströmungsstrecke grenzenden Plattformflächen jedoch mit einer Wärmedämmschicht versehen. Allerdings wurde die Notwendigkeit festgestellt, die Beanspruchung der Plattformseitenflächen zu minimieren, die im allgemeinen in Umfangsrichtung und deckungsgleich mit den Seitenflächen von benachbarten Plattformen angeordnet sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenschaufel geschaffen, die Folgendes umfasst: ein Blatt, einen Fuß und eine zwischen dem Blatt und dem Fuß angeordnete Plattform, die im allgemeinen in Umfangsrichtung zeigende Seitenflächen aufweist, die deckungsgleich mit in der Regel entsprechenden Seitenflächen von benachbarten Schaufeln sind, wobei jede der Plattformseitenflächen eine Nut aufweist, die sich in Umfangsrichtung nach außen durch die Seitenflächen öffnet; und eine Wärmedämmschicht, die in der Nut und entlang der Seitenflächen der Plattform aufgebracht ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schützen von Seitenflächen einer Turbinenschaufelplattform bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst: Erzeugen einer sich entlang einer Seitenfläche der Plattform in Umfangsrichtung nach außen durch die Seitenflächen öffnenden Nut; Einbringen einer Haftvermittlerschicht in die Nut; Aufbringen einer Wärmedämmschicht auf die Haftvermittlerschicht; und Entfernen eines Teiles der Haftvermittlerschicht entlang der Seitenfläche, um Seitenflächenbereiche zu erzeugen, die die aufgebrachte Wärmedämmschicht und bündig mit dieser abschließendes unbeschichtetes Metall aufweisen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel, in der eine auf die Plattformfläche und -seitenflächen der Schaufelplattform aufgebrachte Wärmedämmschicht dargestellt ist.
2 ist ein Teilquerschnitt entlang der in 1 dargestellten Linie 2-2, der das Aufbringen einer Haftvermittlerschicht und einer Wärmedämmschicht an der Schaufel veranschaulicht.
3 ist eine 2 ähnelnde Ansicht, in der die fertige Schaufel mit der aufgebrachten Wärmedämmschicht dargestellt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 Bezug genommen, in der eine allgemein durch die Referenznummer 10 gekennzeichnete Turbinenschaufel dargestellt ist, die ein Blatt 12, eine Plattform 14 und einen Fußbereich 16 mit einem Schaft 18 und einem Tannenbaumfuß 20 aufweist. Es ist nachvollziehbar, dass die Turbinenschaufel 10 Teil einer ringförmigen Anordnung von gleichen Turbinenschaufeln auf dem Rotorlaufrad einer Turbine ist, wobei die Seitenflächen 22 der Plattform 14 im allgemeinen in Umfangsrichtung und deckungsgleich mit entsprechenden Seitenflächen von in Umfangsrichtung angeordneten benachbarten Schaufelplattformen angeordnet sind. In der Regel sind die Schaufelflächen aus unbeschichtetem Metall geformt.
Während Plattformflächen wie die in 1 dargestellte Plattformfläche 24 bereits eine Wärmedämmschicht erhalten haben, wurden nach dem Kenntnisstand des Anmelders die Seitenflächen 22 der Plattform, die in Umfangsrichtung deckungsgleich mit Seitenflächen von benachbarten Plattformen angeordnet sind, nicht zuvor mit einer wärmedämmschicht versehen. Wärmedämmschichten wurden per se schon früher verwendet. Siehe beispielsweise die US-Patentschriften 6 432 487, 6 047 539 und 5 830 586. Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, können in der vorliegenden Erfindung beliebig viele unterschiedliche Typen von Wärmedämmschichten verwendet werden. Beispielsweise kann mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkondioxid, das in der US-Patentschrift dargelegt ist, verwendet werden. Wärmedämmschichten werden normalerweise durch einen Plasmabeschichtungsprozess, in der Regel mehrschichtig und in der erforderlichen Stärke aufgebracht.
Es ist nachvollziehbar, dass sich zwischen den Schaufel- oder Plattformflächen ein gut ausgebildeter Spalt befindet, der beibehalten werden muss, um eine Verklemmung der Schaufeln auszuschließen. Die Schaufeln haben nämlich die Tendenz, zu klemmen und sich zu verformen, wenn sie hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind und im Kaltzustand der Schaufeln ein Spalt zwischen den Schaufeln fehlt. Zur Erfüllung dieser Anforderungen und zur Verringerung der Beanspruchung des Metalls, aus dem die Seitenkanten, d. h. die Schrägflächen der Plattformen, geformt sind, wird auf die Seitenflächen eine Wärmedämmschicht aufgebracht. Hierzu wird entlang jeder der sich gegenüberliegenden Seitenkanten der Plattform eine Nut 26 gebildet. Wie in 2 dargestellt, öffnet sich die Nut 26 zur oberen Fläche der Plattform. Zum Aufbringen der Wärmedämmschicht an den sich gegenüberliegenden Seitenkanten, d. h. Schrägflächen, der Schaufelplattformen, wird zuerst eine Haftvermittlerschicht 28 auf der unbeschichteten Metalloberfläche der Schaufelplattform aufgebracht, um die Haftung zwischen der Metalloberfläche der Schaufelplattform und der Wärmedämmschicht zu verbessern. Die Haftvermittlerschicht 28 kann aus einer beliebigen verfügbaren Schicht bestehen, z. B. aus einer oxidationsbeständigen Legierung wie MCrALY, wobei M für Eisen, Kobalt und/oder Nickel steht, oder aus eindiffundiertem bzw. durch Diffusion erzeugtem Aluminid oder Platinaluminid.
Nach dem Aufbringen der Haftvermittlerschicht wird die Wärmedämmschicht 30 vorzugsweise durch Plasmabeschichtung auf die Haftvermittlerschicht und vorzugsweise in einer Stärke aufgebracht, dass ein äußerer Bereich der Wärmedämmschicht über die Seitenflächen der unbeschichteten Metallbereiche der Plattform hinausragt. Anschließend wird der äußere Bereich der Wärmedämmschicht angeraut oder geschliffen, um einen Teil der Außenoberfläche der Schicht zu entfernen, so dass die Wärmedämmschicht bündig mit den übrigen metallischen Bereichen der Plattformseitenflächen abschließt. Das Schleifen oder Anrauen der Wärmedämmschicht ermöglicht gleichzeitig, dass der zwischen den Schaufelseitenflächen erzeugte Spalt erhalten bleibt und dass die übrige Wärmedämmschicht eine hohe Beständigkeit gegenüber Beanspruchungen aufweist, die infolge der hohen Temperaturen auftreten, denen die Schaufel während des Betriebs ausgesetzt ist.
Das zuvor beschriebene Aufbringen der Wärmedämmschicht auf Bereiche der Seitenflächen der sonst unbeschichteten Metallplattform schützt folglich vor Oxidation und verringert außerdem das Temperaturgefälle bei Temperaturspitzen an den Schrägflächen relativ zur dünnen Plattform. Die Wärmedämmschicht senkt wirkungsvoll den Wärmefluss des Heißgasstroms, der zwischen den Schaufelplattformen aufgenommen wird.
Die vorliegende Anwendung lässt sich allgemein auf Turbinenschaufeln und insbesondere auf dampfgekühlte Schaufeln anwenden, deren stromaufwärts angeordnete Schaufelblätter nicht filmgekühlt sind. Folglich lässt sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf Schaufeln mit geschlossenen Dampfkühlkreislauf, aber ebenso auf luftgekühlte Schaufeln anwenden. Wegen der rückseitigen Kühlung der Plattform kann die an der Grenzfläche zur Haftvermittlerschicht herrschende Temperatur potenziell auf ein Niveau gesenkt werden, das eine Oxidation ausschließt und die langfristige Haftung zwischen der keramischen Wärmedämmschicht und dem Metall verbessert.
Zusammenfasssend bleibt festzuhalten, dass entlang von Bereichen der Seitenkanten 22 einer Turbinenschaufelplattform 14 Nuten 26 gebildet werden, die sich durch die Seiten kanten der Plattformfläche öffnen, die an die Heißgasströmungsstrecke der Turbine grenzt. In die Nut werden nacheinander eine Haftvermittlerschicht 28 und eine Wärmedämmschicht 30 eingebracht, die vorzugsweise durch Plasmabeschichtung auf die Haftvermittlerschicht gespritzt wird. Die Wärmedämmschicht ragt schützend über die unbeschichtete metallische Fläche der Plattformseite hinaus und wird anschließend angeraut oder geschliffen, damit sie bündig mit der unbeschichteten metallischen Fläche abschließt. Die Seitenflächen der Plattform weisen somit eine Wärmedämmschicht zur Reduzierung der Oxidation auf.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wurde, die derzeit für die praktischste und bevorzugte Ausführungsform erachtet wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die dargelegte Ausführungsform beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen einschließt, die dem Geist und dem Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche entsprechen.
Teileliste

Claims

Schaufel (10) für eine Turbine, mit: einer Schaufel (12), einem Fuß (16) und einer Plattform (14) zwischen dem Blatt und dem Fuß, wobei die Plattform im Wesentlichen in Umfangsrichtung zeigende Seitenflächen (22) aufweist, die deckungsgleich mit im Wesentlichen entsprechenden Seitenflächen benachbarter Schaufeln sind; wobei jede der Plattformseitenflächen (22) eine Nut (26) aufweist, die sich in Umfangsrichtung nach außen durch die Seitenflächen öffnet; und mit einer Wärmedämmschicht (30), die in der Nut und entlang der Seitenflächen der Plattform aufgebracht ist.
Schaufel nach Anspruch 1 mit einer zwischen den Seitenflächen der Plattform und der Wärmedämmschicht liegenden Haftvermittlerschicht (28) zum Verbessern der Haftung zwischen der Wärmedämmschicht und den Plattformseitenflächen.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (30) im Wesentlichen bündig mit den übrigen Bereichen der Seitenflächen abschließt.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche der Plattform, die einen Teil einer durch die Turbine verlaufenden Heißgasströmungsstrecke bildet, eine Wärmedämmschicht (30) aufweist, wobei die Wärmedämmschicht der Fläche und der Seitenflächen (22) miteinander zusammenhängend ausgebildet sind.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut sich nach Außen durch die Fläche der Plattform öffnet.
Verfahren zum Schützen der Seitenflächen (22) einer Plattform (14) einer Turbinenschaufel (10), das folgende Schritte umfasst: Erzeugen einer entlang einer Seitenfläche der Plattform verlaufenden, sich in Umfangsrichtung nach außen durch die Seitenflächen öffnenden Nut (26); Einbringen einer Haftvermittlerschicht (28) in die Nut; Aufbringen einer Wärmedämmschicht (30) auf die Haftvermittlerschicht; und Entfernen eines Teiles der Haftvermittlerschicht entlang der Seitenfläche, um Seitenflächenbereiche zu erzeugen, die die aufgebrachte Wärmedämmschicht und bündig mit dieser abschließendes unbeschichtetes Metall aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Materialentfernung das Anrauen der Wärmedämmschicht einschließt.
Verfahren nach Anspruch 6, dass das Aufbringen der Haftvermittlerschicht (28) und der Wärmedämmschicht (30) auf die Plattformfläche vorsieht, so dass entlang der Plattformfläche und zumindest in einigen Bereichen der Seitenflächen eine durchgängige Wärmedämmschicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Wärmedämmschicht in einer solchen Stärke aufgebracht wird, dass ein Teil von ihr über die unbeschichteten übrigen Bereiche der Plattformseitenfläche hinausragt, und bei dem der hinausragende Bereich entfernt wird, damit eine Wärmedämmschicht übrig bleibt, die im Wesentlichen bündig mit den unbeschichteten Bereichen der Plattformseitenflächen abschließt.