DE102007031932A1 - A blade - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschinenschaufel (10), insbesondere eine Gasturbinenschaufel, mit einem eine Strömungseintrittskante (13) und eine Strömungsaustrittskante (14) aufweisenden Schaufelblatt (11), wobei sich zwischen der Strömungseintrittskante und der Strömungsaustrittskante eine Saugseite und Druckseite des Schaufelblatts erstreckt. Erfindungsgemäß ist das Schaufelblatt (11) zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante (13) mit einer duktilen Verschleißschutzschicht beschichtet, wobei die duktile Verschleißschutzschicht in einer Metallmatrix eingelagerte keramische Hartpartikel aufweist.The invention relates to a turbomachine blade (10), in particular a gas turbine blade, having a blade (11) having a flow inlet edge (13) and a flow outlet edge (14), wherein a suction side and pressure side of the blade extend between the flow inlet edge and the flow outlet edge. According to the invention, the blade (11) is coated with a ductile wear protection layer at least in the area of the flow inlet edge (13), the ductile wear protection layer having ceramic hard particles embedded in a metal matrix.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschinenschaufel, insbesondere eine Gasturbinenschaufel.The The invention relates to a turbomachine blade, in particular a Gas turbine blade.

Turbomaschinenschaufeln, wie z. B. Gasturbinenschaufeln, verfügen über einen Schaufelfuß und ein Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt eine Strömungseintrittskante und eine Strömungsaustrittskante aufweist, und wobei sich zwischen der Strömungseintrittskante und der Strömungsaustrittskante des Schaufelblatts eines Saugseite und eine Druckseite desselben erstreckt.Turbomachinery blades, such as As gas turbine blades, have a blade root and a Airfoil, wherein the airfoil has a flow inlet edge and a Flow outlet edge and wherein between the flow inlet edge and the Flow outlet edge the airfoil of a suction side and a pressure side thereof extends.

Im Betrieb können Turbomaschinenschaufeln, nämlich sowohl statorseitige Leitschaufeln als auch rotorseitige Laufschaufeln, durch Erosion, Vogelschlag oder auch Hagelschlag beschädigt werden. Hierzu ist es aus der Praxis bereits bekannt, zumindest auf das Schaufelblatt einer Turbomaschinenschaufel ein hartes Verschleißschutzsystem aufzutragen, wobei derartige Verschleißschutzsysteme vorzugsweise als Multilayer-Schichtsysteme ausgebildet sind, die mindestens eine relativ harte, keramische Schicht und mindestens eine relative weiche, metallische Schicht aufweisen, die wechselweise auf das Schaufelblatt aufgebracht sind. Dann, wenn infolge von Erosion, Vogelschlag oder Hagelschlag Partikel mit einem Auftreffwinkel von in etwa 90° auf das Schaufelblatt einer Turbomaschinenschaufel auftreffen, wie dies im Bereich der Strömungseintrittskante einer Turbomaschinenschaufel üblich ist, können sich in einem solchen Verschleißschutzsystem Risse ausbilden, die letztendlich zu einem Abplatzen des Verschleißschutzsystems im Bereich der Strömungseintrittskante führen. Nach dem Abplatzen des Verschleißschutzsystems von der Strömungseintrittskante ist dieselbe ungeschützt einem Verschleiß ausgesetzt, wodurch dieselbe abgetragen werden kann, was letztendlich zur Verkürzung der sogenannten Sehnenlänge des Schaufelblatts und damit zu aerodynamischen Verlusten führt.in the Can operate Turbomachinery blades, namely both stator-side vanes and rotor-side rotor blades, be damaged by erosion, bird strike or hail. For this it is already known from practice, at least on the Blade of a turbomachinery blade a hard wear protection system apply, with such wear protection systems preferably are formed as multilayer layer systems, the at least one relatively hard, ceramic layer and at least one relatively soft, metallic Layer having alternately applied to the airfoil are. Then, when due to erosion, bird strike or hailstorm particles with an impact angle of about 90 ° on the blade of a Turbomachinery blade hit, as in the area of the flow inlet edge a turbomachinery blade usual is, can yourself in such a wear protection system Cracks form, which ultimately leads to a chipping of the wear protection system in the area of the flow inlet edge to lead. After flaking off the wear protection system from the flow inlet edge is the same unprotected exposed to wear, whereby it can be removed, which ultimately leads to the shortening of so-called chord length of the blade and thus leads to aerodynamic losses.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde eine neuartige Turbomaschinenschaufel, insbesondere eine neuartige Gasturbinenschaufel, zu schaffen. Dieses Problem wird durch eine Turbomaschinenschaufel gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist das Schaufelblatt zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante mit einer duktilen Verschleißschutzschicht beschichtet, wobei die duktile Verschleißschutzschicht in einer Metallmatrix eingelagerte keramische Hartpartikel aufweist.Of these, Based on the present invention, the problem is based a novel turbomachine blade, in particular a novel Gas turbine blade to create. This problem is caused by a Turbomachine blade according to claim 1 solved. According to the invention, the blade is at least in the region of the flow inlet edge with a ductile wear protection layer coated, wherein the ductile wear protection layer in a metal matrix having embedded ceramic hard particles.

Die Erfindung schlägt vor, das Schaufelblatt einer Turbomaschine zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante mit einer duktilen, nicht rein keramischen sowie nicht rein metallischen Verschleißschutzschicht zu beschichten, wobei die duktile Verschleißschutzschicht in einer Metallmatrix eingelagerte keramische Hartpartikel umfasst. Eine solche duktile Verschleißschutzschicht neigt bei einem Auftreffwinkel von Partikeln um in etwa 90° nicht zur Rissbildung und damit nicht zum Abplatzen. Auf diese Art und Weise kann die Strömungseintrittskante einer Turbomaschine effektiv vor einem Verschleiß durch Erosion, Vogelschlag oder auch Hagelschlag geschützt werden.The Invention proposes before, the blade of a turbomachine at least in the area the flow inlet edge with a ductile, not purely ceramic and not purely metallic Wear protection layer to coat, wherein the ductile wear protection layer in a metal matrix embedded ceramic hard particles. Such a ductile Wear protection layer does not tend to crack at an angle of incidence of particles about 90 ° and so not to flake off. In this way, the Flow inlet edge of a Turbomachine effectively against erosion, bird strike or hailstorm protected become.

Der Begriff der "Turbomaschinenschaufel" ist im Sinne der vorliegenden Erfindung weitgefasst zu verstehen und bezieht sich insbesondere auf Turbomaschinenschaufeln im engen oder eigentlichen Sinne bzw. auf Strömungsprofile, wie z. B. Turbinenschaufeln, Verdichterschaufeln, Rotorblätter, Turboprop-Propeller, Hubschrauberflügel und der gleichen.Of the Concept of "Turbomachinery bucket" is in the sense of The present invention broadly understand and relates in particular on turbomachinery blades in narrow or actual Senses or flow profiles, such as Turbine blades, compressor blades, rotor blades, turboprop propellers, helicopter wing and the same.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:preferred Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description. Embodiments of the invention without being limited to this to be closer to the drawing explained. Showing:

1 eine schematisierte Darstellung einer Turbomaschinenschaufel. 1 a schematic representation of a turbomachinery blade.

1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Turbomaschinenschaufel 10, insbesondere einer Gasturbinenschaufel. Bei der Turbomaschinenschaufel 10 handelt es sich vorzugsweise um eine statorseitige Leitschaufel oder um eine rotorseitige Laufschaufel einer als Flugtriebwerk ausgebildeten Gasturbine. 1 shows a schematic representation of a turbomachinery blade 10 , in particular a gas turbine blade. At the turbomachine blade 10 it is preferably a stator stator vane or a rotor-side blade of a gas turbine designed as an aircraft engine.

Die Turbomaschinenschaufel 10 umfasst ein Schaufelblatt 11 sowie einen Schaufelfuß 12, wobei das Schaufelblatt 11 eine Strömungseintrittskante 13 und eine Strömungsaustrittskante 14 umfasst. Zwischen der Strömungseintrittskante 13 und der Strömungsaustrittskante 14 des Schaufelblatts 11 erstreckt sich eine Saugseite sowie eine Druckweite des Schaufelblatts.The turbo machine shovel 10 includes an airfoil 11 as well as a blade foot 12 , wherein the airfoil 11 a flow entry edge 13 and a flow exit edge 14 includes. Between the flow inlet edge 13 and the flow exit edge 14 of the airfoil 11 extends a suction side and a pressure width of the airfoil.

Erfindungsgemäß ist das Schaufelblatt 11 zumindest im Bereich der Strömungskante 13 mit einer duktilen Verschleißschutzschicht beschichtet, wobei die duktile Verschleißschutzschicht in einer Metallmatrix eingelagerte keramische Hartpartikel aufweist. Die duktile Verschleißschutzschicht ist demnach weder als rein keramische noch als rein metallische Schicht ausgeführt, vielmehr liegen in der duktilen Verschleißschutzschicht metallische und keramische Phasen gemischt nebeneinander vor.According to the invention, the blade is 11 at least in the area of the flow edge 13 coated with a ductile wear protection layer, wherein the ductile wear protection layer has embedded in a metal matrix ceramic hard particles. Accordingly, the ductile wear protection layer is designed neither as a purely ceramic layer nor as a purely metallic layer; rather, metallic and ceramic phases are mixed next to one another in the ductile wear protection layer.

Vorzugsweise weist die duktile Verschleißschutzschicht in einer Metallmatrix eingelagerte Carbidpartikel auf, insbesondere Carbidpartikel aus Titancarbid oder dergleichen.Preferably has the ductile wear protection layer in a metal matrix embedded carbide particles, in particular Carbide particles of titanium carbide or the like.

Die zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante 13 auf das Schaufelblatt 11 aufgebrachte duktile Verschleißschutzschicht neigt bei Auftreffwinkeln von Fremdpartikeln in einer Größenordnung von in etwa 90° nicht zu einer Rissbildung und nicht zu einem Abplatzen. Daher eignet sich dieselbe insbesondere zum Schutz der Strömungseintrittskante 13 des Schaufelblatts 11 vor einem Verschleiß durch Erosion, Vogelschlag oder auch Hagelschlag.The at least in the region of the flow inlet edge 13 on the blade 11 applied ductile wear protection layer tends at incidence angles of foreign particles in the order of about 90 ° to cracking and not chipping. Therefore, it is particularly suitable for the protection of the flow inlet edge 13 of the airfoil 11 from erosion, bird strike or hailstorm wear.

Da eine solche duktile Verschleißschutzschicht jedoch bei Auftreffwinkeln von weniger als 90° schnell abgetragen werden kann, ist das Schaufelblatt 11 zusätzlich mit einem harten Verschleißschutzsystem beschichtet, wobei dieses Verschleißschutzsystem vorzugsweise als Multilayer-Schichtsystem ausgebildet ist, welches mindestens eine relativ harte, rein keramische Schicht und mindestens eine relativ weiche, rein metallische Schicht aufweist. Diese Schichten sind dann wechselweise auf das Schaufelblatt 11 unter Ausbildung des Multilayer-Schichtsystems aufgebracht.However, since such a ductile wear protection layer can be rapidly removed at impact angles of less than 90 °, the airfoil is 11 additionally coated with a hard wear protection system, this wear protection system is preferably formed as a multilayer coating system having at least one relatively hard, pure ceramic layer and at least one relatively soft, purely metallic layer. These layers are then alternately on the airfoil 11 applied with formation of the multilayer coating system.

Nach einer ersten Alternative ist das Schaufelblatt 11 mit der duktilen Verschleißschutzschicht und dem harten Verschleißschutzsystem derart beschichtet, dass das Schaufelblatt 11 vollständig mit dem harten Verschleißschutzsystem beschichtet ist, wobei zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante 13 das harte Verschleißschutzsystem mit der duktilen Verschleißschutzschicht überbeschichtet ist. In diesem Fall ist die duktile Verschleißschutzschicht vorzugsweise ausschließlich auf die Strömungseintrittskante 13 sowie gegebenenfalls auf sich unmittelbar an die Strömungseintrittskante 13 anschließende Abschnitte der Saugseite und der Druckseite des Schaufelblatts 11 aufgebracht.After a first alternative is the airfoil 11 coated with the ductile wear protection layer and the hard wear protection system such that the airfoil 11 completely coated with the hard wear protection system, wherein at least in the region of the flow inlet edge 13 the hard wear protection system is overcoated with the ductile wear protection layer. In this case, the ductile wear protection layer is preferably exclusively on the flow inlet edge 13 as well as possibly directly to the flow inlet edge 13 subsequent sections of the suction side and the pressure side of the airfoil 11 applied.

Nach einer zweiten Alternative der Erfindung ist das Schaufelblatt 11 derart mit der duktilen Verschleißschutzschicht und dem harten Verschleißschutzsystem beschichtet, dass zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante 13 die duktile Verschleißschutzschicht mit dem harten Verschleißschutzsystem überbeschichtet ist. In diesem Fall wird dann im Betrieb das harte Verschleißschutzsystem im Bereich der Strömungseintrittskante 13 rasch abgetragen, wobei dann die Strömungseintrittskante 13 durch die duktile Verschleißschutzschicht vor Verschleiß durch Erosion, Hagelschlag oder auch Vogelschlag geschützt ist. Auch in dieser zweiten Alternative ist die duktile Verschleißschutzschicht vorzugsweise ausschließlich im Bereich der Strömungseintrittskante 13 sowie gegebenenfalls unmittelbar an die Strömungseintrittskante 13 anschließende Abschnitte von Saugseite und Druckseite des Schaufelblatts 11 aufgebracht.According to a second alternative of the invention, the airfoil is 11 coated with the ductile wear protection layer and the hard wear protection system such that at least in the region of the flow inlet edge 13 the ductile wear protection layer is overcoated with the hard wear protection system. In this case, during operation, the hard wear protection system then becomes in the region of the flow inlet edge 13 quickly eroded, in which case the flow inlet edge 13 protected by the ductile wear protection layer against wear due to erosion, hail or bird strike. Also in this second alternative, the ductile wear protection layer is preferably exclusively in the region of the flow inlet edge 13 and possibly directly to the flow inlet edge 13 subsequent sections of suction side and pressure side of the airfoil 11 applied.

Es ist jedoch auch möglich, dass größere Bereiche des Schaufelblatts 11 mit der duktilen Verschleißschutzschicht oder gar das gesamte Schaufelblatt 11 mit der duktilen Verschleißschutzschicht beschichtet sind, wobei dann im Betrieb die duktile Verschleißschutzschicht außerhalb des Bereichs der Strömungseintrittskante 13 rasch abgetragen wird, und dann das ursprünglich darunter positionierte harte Verschleißschutzsystem die entsprechenden Abschnitte des Schaufelblatts 11 vor einem Verschleiß schützt.However, it is also possible that larger areas of the airfoil 11 with the ductile wear protection layer or even the entire blade 11 coated with the ductile wear protection layer, in which case the ductile wear protection layer is outside the area of the flow inlet edge during operation 13 is rapidly removed, and then the originally positioned underneath hard wear protection system the corresponding sections of the airfoil 11 protects against wear.

Nach einer dritten Alternative ist es möglich, dass das Schaufelblatt 11 derart mit dem harten Verschleißschutzsystem und der duktilen Verschleißschutzschicht beschichtet ist, dass die duktile Verschleißschutzschicht ausschließlich auf die Strömungseintrittskante 13 sowie gegebenenfalls unmittelbar an die Strömungseintrittskante 13 anschließende Abschnitte der Saugseite und Druckseite aufgebracht ist, wobei sich das harte Verschleißschutzsystem an die duktile Verschleißschutzschicht anschließt und demnach das Schaufelblatt ausschließlich in solchen Bereichen mit dem harten Verschleißschutzsystem beschichtet ist, in welchem dieselbe mit der duktilen Verschleißschutzschicht nicht beschichtet ist.According to a third alternative, it is possible for the airfoil 11 coated so with the hard wear protection system and the ductile wear protection layer, that the ductile wear protection layer exclusively on the flow inlet edge 13 and possibly directly to the flow inlet edge 13 subsequent sections of the suction side and pressure side is applied, wherein the hard wear protection system connects to the ductile wear protection layer and therefore the blade is coated exclusively in those areas with the hard wear protection system in which it is not coated with the ductile wear protection layer.

Mit der hier vorliegenden Erfindung ist es möglich, sämtliche Bereiche eines Schaufelblatts 11 einer Turbomaschinenschaufel 10 optimal vor einem Verschleiß durch Erosion, Hagelschlag oder auch Vogelschlag zu schützen. Im Bereich der Strömungseintrittskante 13 ist das Schaufelblatt 11 mit der duktilen Verschleißschutzschicht beschichtet. In anderen Abschnitten wird das Schaufelblatt 11 durch ein hartes Verschleißschutzsystem vor einem Verschleiß geschützt. Je nach Angriffsort der Erosion, des Hagelschlags oder des Vogelschlags liegt demnach eine geeignete Verschleißschutzschicht vor, um das Schaufelblatt 11 vor einem Verschleiß zu schützen. Durch das Aufbringen der duktilen Verschleißschutzschicht ausschließlich im Bereich der Strömungseintrittskante 13 wird das aerodynamische Profil des Schaufelblatts 11 im Bereich der Saugseite sowie Druckseite nur gering verändert.With the present invention, it is possible to cover all areas of a blade 11 a turbomachinery blade 10 optimally protected against erosion, hail or bird strike wear. In the area of the flow inlet edge 13 is the airfoil 11 coated with the ductile wear protection layer. In other sections, the airfoil becomes 11 Protected against wear by a hard wear protection system. Depending on the location of erosion, hailstorm or bird strike, a suitable anti-wear layer is therefore present around the airfoil 11 to protect against wear. By applying the ductile wear protection layer only in the area of the flow inlet edge 13 becomes the aerodynamic profile of the airfoil 11 only slightly changed in the area of the suction side and pressure side.

Claims (7)

Turbomaschinenschaufel, insbesondere Gasturbinenschaufel, mit einem eine Strömungseintrittskante und eine Strömungsaustrittkante aufweisenden Schaufelblatt, wobei sich zwischen der Strömungseintrittskante und der Strömungsaustrittkante eine Saugseite und Druckseite des Schaufelblatts erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (11) zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante (13) mit einer duktilen Verschleißschutzschicht beschichtet ist, wobei die duktile Verschleißschutzschicht in einer Metallmatrix eingelagerte keramische Hartpartikel aufweist.A turbomachine blade, in particular a gas turbine blade, having an airfoil having a flow inlet edge and a flow outlet edge, wherein a suction side and pressure side of the airfoil extend between the flow inlet edge and the flow outlet edge, characterized in that the airfoil ( 11 ) at least in the region of the flow inlet edge ( 13 ) is coated with a ductile wear protection layer, wherein the ductile wear protection layer has embedded in a metal matrix ceramic hard particles. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die duktile Verschleißschutzschicht ausschließlich auf die Strömungseintrittskante (13) sowie gegebenenfalls auf sich unmittelbar an die Strömungseintrittskante (13) anschließende Abschnitte der Saugseite und Druckseite aufgebracht ist.Turbomachine blade according to claim 1, characterized in that the ductile wear protection layer exclusively on the flow inlet edge ( 13 ) and possibly directly on the flow inlet edge ( 13 ) subsequent sections of the suction side and pressure side is applied. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (11) mit einem harten Verschleißschutzsystem beschichtet ist, wobei zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante (13) das harte Verschleißschutzsystem mit der duktilen Verschleißschutzschicht überbeschichtet ist.Turbomachine blade according to claim 1 or 2, characterized in that the airfoil ( 11 ) is coated with a hard wear protection system, wherein at least in the region of the flow inlet edge ( 13 ) the hard wear protection system is overcoated with the ductile wear protection layer. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (11) mit einem harten Verschleißschutzsystem beschichtet ist, wobei zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante (13) die duktile Verschleißschutzschicht mit dem harten Verschleißschutzsystem überbeschichtet ist.Turbomachine blade according to claim 1 or 2, characterized in that the airfoil ( 11 ) is coated with a hard wear protection system, wherein at least in the region of the flow inlet edge ( 13 ) the ductile wear protection layer is overcoated with the hard wear protection system. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (11) mit einem harten Verschleißschutzsystem beschichtet ist, wobei sich das harte Verschleißschutzsystem an die duktile Verschleißschutzschicht anschließt.Turbomachine blade according to claim 1 or 2, characterized in that the airfoil ( 11 ) is coated with a hard wear protection system, with the hard wear protection system joining the ductile wear protection layer. Turbomaschinenschaufel nach der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die duktile Verschleißschutzschicht in einer Metallmatrix eingelagerte keramische Carbidpartikel aufweist.Turbomachine blade according to claims 1 to 5, characterized in that the ductile wear protection layer Having embedded in a metal matrix ceramic carbide particles. Turbomaschinenschaufel nach der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das harte Verschleißschutzsystem als Multilayer-Schichtsystem ausgebildet ist, welches mindestens eine relativ harte, rein keramische Schicht und mindestens eine relativ weiche, rein metallische Schicht aufweist.Turbomachine blade according to claims 1 to 6, characterized in that the hard wear protection system is designed as a multilayer layer system, which at least a relatively hard, pure ceramic layer and at least one having relatively soft, purely metallic layer.
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