DE102007042124A1 - Triebwerksbauteil für eine Gasturbine - Google Patents

Triebwerksbauteil für eine Gasturbine Download PDF

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Triebwerksbauteil zur Anordnung im Gasstrom einer Gasturbine. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teil seiner Oberfläche eine modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aufweist, die mit einer Vakuumbeschichtungstechnik aufgetragen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Triebwerksbauteil zur Anordnung im Gasstrom einer Gasturbine. Triebwerksbauteile von Gasturbinen wie bspw. Strahltriebwerken für Flugzeuge weisen eine definierte Formgebung auf, die an den jeweiligen Verwendungszweck im Gasstrom der Turbine angepasst ist. Insbesondere die Formgebung der Turbinenschaufeln in der Verdichter- sowie Turbinenstufe eines Strahltriebwerks ist entscheidend zum Erreichen eines hohen Triebwerkswirkungsgrades.
  • Während des Betriebs einer Gasturbine führen mit dem Luftstrom angesaugte Fremdkörper wie z. B. Sand oder Eis zur Erosion an den Triebwerksbauteilen, die die vorgesehene Form und/oder Oberflächenbeschaffenheit verändern und damit den Wirkungsgrad verschlechtern kann. Ferner kann es durch mit dem Luftstrom eingetragene Verunreinigungen und/oder Verbrennungsrückstände zur Ablagerungen auf der Oberfläche von Triebwerksbauteilen wie bspw. Turbinenschaufeln kommen, die ebenfalls den Gasstrom an diesen Bauteilen verändern und damit den Wirkungsgrad verschlechtern. Die maximale Betriebsdauer einer Gasturbine wird durch solche Erosionen und/oder Verschmutzungen verringert.
  • Aus offenkundiger Vorbenutzung ist es bekannt, Strahltriebwerke durch einen unter Hochdruck eingetragenen Wasserstrahl zu reinigen. Ferner sind verschiedene Beschichtungen von metallischen Turbinenschaufeln bekannt, die in erster Linie deren Temperaturbeständigkeit erhöhen sollen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Triebswerkbauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine verbesserte Verschmutzungsresistenz kombiniert mit einer guten Verschleißfestigkeit aufweist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens ein Teil der Oberfläche des Triebwerksbauteils eine modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht bzw. -beschichtung aufweist, die mittels einer Vakuumbeschichtungstechnik aufgetragen ist.
  • Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert.
  • Ein Triebwerksbauteil zur Anordnung im Gasstrom einer Gasturbine bezeichnet jegliches Bauteil, das im vorgesehenen Einbauzustand während des Betriebs mit wenigstens einem Teil seiner Oberfläche einem Gasstrom ausgesetzt ist. Es kann sich hierbei um den Gasstrom im Verdichterteil, in der Brennkammer oder im Turbinenteil nach der Brennkammer einer solchen Gasturbine handeln.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der Oberfläche eines solchen Triebwerksbauteils (vorzugsweise ein dem Gasstrom im Betrieb ausgesetzter Teil der Oberfläche) eine modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aufweist, die mittels einer Vakuumbeschichtungstechnik aufgetragen ist. Der Begriff „modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht" wird im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung so verwendet, wie er definiert ist in der VDI-Richtlinie 2840, Ausgabe November 2005. Solche Kohlenstoffschichten werden mit einer Vakuumbeschichtungstechnik aufgetragen. Dies geschieht bevorzugt bei Beschichtungstemperaturen von Raumtemperatur von etwa 300°C.
  • Die amorphen Kohlenstoffschichten werden gemäß der genannten VDI-Richtlinie in sieben Schichttypen eingeteilt, die mit der Abkürzung a-C gekennzeichnet werden (a: amorph, C: Kohlenstoff). Die Gruppe der amorphen Kohlenstoffschichten kann auch mit der englischen Bezeichnung Diamond like Carbon (DLC) bezeichnet werden. Von den sieben unterschiedenen amorphen Kohlenstoffschichttypen sind vier wasserstoffhaltig (a-C:H) und damit Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
  • Die Erfindung hat erkannt, dass sich mittels einer solchen Oberflächenmodifizierung die Erosionsneigung der Oberfläche von Triebwerksbauteilen verringern lässt und gleichzeitig eine geringere Verschmutzungsneigung aufgrund des sogenannten Antihafteffekts einer solchen modifizierten Kohlenstoffschicht erreicht wird.
  • Im Rahmen der Erfindung ist die wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht besonders bevorzugt mit einem Nichtmetall modifiziert, bspw. Silizium, Sauerstoff, Stickstoff, Fluor, Bor oder Mischungen dieser Nichtmetalle. Besonders bevorzugt weist die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht a-C:H:Si und/oder a-C:H:Si:O auf. Sie ist demnach entweder mit Silizium oder mit einer Kombination von Silizium und Sauerstoff modifiziert. Eine solche besonders bevorzugte Kohlenstoffschicht wird in der VDI-Richtlinie 2840 in Tabelle 1 mit der Schichtnummer 2.7 bezeichnet.
  • Die Härte eines erfindungsgemäß beschichteten Triebwerksbauteils liegt vorzugsweise bei mindestens 5 GPa, weiter vorzugsweise mit mindestens 7 GPa, weiter vorzugsweise mindestens 10 GPa. Typische Härtebereiche für eine a-C:H:Si:O-Schicht könnten bspw. zwischen 7 und 9 GPa liegen, für eine a-C:H:Si-Schicht zwischen 10 und 15 GPa. Typische Obergrenzen für die Härte sind 30, 25, 20 und 15 GPa.
  • Die Härte wird bevorzugt als HV 30 nach DIN EN ISO 14577-1 gemessen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die modifizierte Kohlenstoffschicht einen Verschleiß von weniger als 40 (m3/Nm)·10–15, vorzugsweise von weniger 30 (m3/Nm)·10–15, weiter vorzugsweise von weniger 20 (m3/Nm)·10–15 auf.
  • Die Erosionsbeständigkeit lässt sich anhand eines rotierenden Verschleißtestes feststellen. Bei dieser Messung wird der Abrieb von Material durch eine an der Oberfläche reibende, rotierende Kugel oder Walze gemessen. Aus Anpressdruck, Geometrien der Kugel bzw. Walze sowie der Verschleißspur lässt sich das Verschleißvolumen berechnen. Die hierfür relevante Norm ist die ASTM G 99. Erfindungsgemäß weist die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht einen bevorzugten Verschleiß von weniger als 40 (m3/Nm)·10–15 auf. Weiterhin bevorzugt sind Verschleißvolumina von weniger als 30 (m3/Nm)·10–15 bzw. von weniger als 20 (m3/Nm)·10–15
  • Ein erfindungsgemäß beschichtetes Triebwerksbauteil weist bevorzugt eine geringe Oberflächenenergie auf. Durch diese geringe Oberflächenenergie haften Verunreinigungen nicht oder in geringem Umfang an der Oberfläche an. Dadurch bleiben optimale Strömungsbedingungen in der Gasturbine über eine längere Betriebsdauer erhalten, es kommt zu einem entsprechend langsameren Abfall der Exhaust Gas Temperature (EGT). Da somit ein hoher Wirkungsgrad über einen längeren Zeitraum erhalten bleibt, kann bei Strahltriebwerken die Triebwerkslaufzeit (Time an Wing, TOW) verlängert werden.
  • Bevorzugte Obergrenzen für die Oberflächenenergie sind 50, 45, 40, 35, 32, 28 und 24 mN/m. Typische erfindungsgemäße Bereiche der Oberflächenenergie sind bspw. 30 bis 35 mN/m für eine a-C:H:Si-Beschichtung und 22 bis 26 mN/m für eine a-C:H:Si:O-Beschichtung.
  • Die Temperaturstabilität einer erfindungsgemäßen Beschichtung kann bevorzugt im Bereich 400 bis 500°C liegen.
  • Im Rahmen der Erfindung kann die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht unmittelbar auf das Substratmaterial des Triebwerksbauteils aufgetragen werden oder aber die oberste von mehreren Schichten sein.
  • Die erfindungsgemäße Kohlenstoffschicht wird mittels einer Vakuumbeschichtungstechnik aufgetragen, bei der das Beschichtungsmaterial zunächst in die Gasphase überführt und dann auf dem Substrat abgeschieden wird. Bevorzugt ist die Vakuumbeschichtungstechnik ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützte physikalische Gasphasenabscheidung (PA-PVD), und plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PA-CVD) oder einer Kombination der genannten.
  • Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Beschichtung hergestellt mit einer Kombination aus PVD und PA-CVD.
  • Die Schichtdicke der modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschicht liegt bevorzugt zwischen 2 und 10 μm, weiter vorzugsweise 3 und 7 μm. Sie kann bspw. etwa 5 μm betragen.
  • Das erfindungsgemäße Triebwerksbauteil ist besonders bevorzugt eine Turbinenschaufel, da die im besonderen Maße Verschmutzung und Verschleiß ausgesetzt ist und zudem eine Änderung der Kontur bzw. des Strömungsprofils maßgeblich zur Verschlechterung des Wirkungsgrades im Laufe des Betriebs eines Strahltriebwerks beitragen kann. Bevorzugt handelt es sich um eine Turbinenschaufel im Verdichter oder Kompressorteil des Triebwerks.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Strahltriebwerk für den Einsatz in Luftfahrzeugen, das eine oder mehrere erfindungsgemäße Triebwerksbauteile aufweist.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Beschichten eines Triebwerkbauteils, bei dem mittels eines Vakuumbeschichtungsverfahrens eine modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aufgebracht wird. Das Triebwerksbauteil ist zur Anordnung im Gasstrom einer Gasturbine vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Rahmen der Neuherstellung solcher Triebwerksbauteile angewendet werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, Neuteile außerhalb des eigentlichen Herstellungsprozesses nachträglich durch das erfindungsgemäße Verfahren mit einer entsprechenden Beschichtung zu versehen und damit zu veredeln.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 12 bis 19 beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung besonders verschmutzungsresistenter und damit auch weniger verschleißanfälliger Turbinenbauteile.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Instandsetzung eines Triebwerkbauteils, das zur Anordnung im Gasstrom einer Gasturbine vorgesehen ist. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
    • a) zur Verfügung stellen eines Triebwerksbauteils, das Verschleißerscheinungen aufweist;
    • b) Aufarbeiten des Triebwerksbauteils zur Behebung oder Minderung der Verschleißerscheinungen;
    • c) Aufbringen einer modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschicht nach einem der Ansprüche 11 bis 18 auf wenigstens einen Teil der Oberfläche des Triebwerksbauteils.
  • Triebwerksbauteile wie bspw. Turbinenschaufeln werden nach Erreichen einer Verschleißgrenze regelmäßig wieder aufgearbeitet. Eine solche Wiederaufarbeitung kann das mechanische und/oder chemische Entfernen von Kontaminationsrückständen und das Ausgleichen von durch Erosion entstandenem Materialabtrag durch entsprechende Bearbeitung (z. B. spanende Bearbeitung) oder durch einen erneuten Materialauftrag wie bspw. Aufschweißen von Schaufelmaterial umfassen. All dies versteht die Erfindung unter dem Begriff Aufarbeiten des Triebwerksbauteils zur Behebung oder Minderung der Verschleißerscheinungen.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass nach diesem Aufarbeiten eine erfindungsgemäße modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aufgebracht wird. Ein solches wiederaufgearbeitetes Triebwerksbauteil kann dann u. U. eine höhere Betriebsdauer aufweisen als das nicht erfindungsgemäß beschichtete Neuteil.
  • Bei Triebwerksschaufeln kann weiterhin vorgesehen sein, die Erosion nicht nur durch einfaches Beischleifen zu beseitigen, sondern der Triebwerksschaufeln eine optimierte Form zu geben. Durch ein einfaches Ausgleichen von Unebenheiten auf der Oberfläche der Triebwerksschaufeln kommt es zu Abweichungen von ihrer idealen Form und die optimale Umströmung des Flügelprofils wird gestört. Es kann daher von Vorteil sein, die Kontur des Flügelprofils auch in Bereichen, die nicht von Erosion betroffen sind, zu ändern, umso eine bessere Umströmung der Triebwerkschaufel zu gewährleisten. Das Aufarbeiten des Triebwerksbauteils kann im Rahmen der Erfindung automatisiert erfolgen, bspw. mittels geeigneter Handhabungsroboter.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand einer vorteilhaften Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Es zeigt:
  • 1 Eine exemplarische Anordnung zweier erfindungsgemäßen Triebwerksschaufeln einer Kompressorstufe
  • In 1 sind zwei erfindungsgemäße Triebwerksschaufeln 1, 1' einer Kompressorstufe 2 auf einem, in der Zeichnung nur angedeutetem Laufrad 3 angebracht. Das Laufrad 3 ist in der Regel vollständig mit Triebwerksschaufeln besetzt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit beschränkt sich die Darstellung aber auf zwei exemplarische Triebwerksschaufeln 1, 1'. Die Strömungsrichtung des Gasstroms über die dargestellte Kompressorstufe 2 ist durch den Pfeil 4 angedeutet.
  • Die Triebwerksschaufeln 1, 1' sind in den durch die gestrichelte Umrandung begrenzten Bereichen 5, 5' mit eine modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschicht versehen. Diese Bereiche 5, 5' umfassen genau die Stellen, an denen sich bei unbeschichteten Triebwerkschaufeln Fremdstoffe abtragen. Eine entsprechende Kontamination ist durch die Schraffuren 6, 6' angedeutet. Aufgrund der erfindungsgemäßen Beschichtung 5, 5' treten diese Kontaminationen 6, 6' nicht mehr auf.
  • Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Triebwerksschaufel eines Laufrads. Die Erfindung ist gleichfalls anwendbar beispielsweise auf Triebwerksschaufeln von Leiträdern oder dergleichen. Die Bauteile können beispielsweise im Hochdruckverdichter oder Niederdruckverdichter (HPC oder LPC) Verwendung finden. Statt der eigentlichen Triebwerksschaufel (blade) kann auch beispielsweise die Nabe beschichtet werden. Entsprechende Triebwerksbauteile können im Primär- und Sekundärkreis angeordnet sein. Bei den Statorschaufeln (vains) kann es sich um sogenannte fixed vains oder variable vains (drehbar gelagerte Statorschaufeln) sein. Es kann sich um sogenannte Einzel- oder Cluster-vains handeln.
  • Beschichtet werde können ferner Bauteile des Fans sowie beispielsweise der Niederdruckturbine (LPT).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - DIN EN ISO 14577-1 [0013]

Claims (22)

  1. Triebwerksbauteil zur Anordnung im Gasstrom einer Gasturbine dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil seiner Oberfläche eine modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aufweist, die mit einer Vakuumbeschichtungstechnik aufgetragen ist.
  2. Triebwerksbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht mit wenigstens einem Nichtmetall modifiziert ist.
  3. Triebwerksbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht a-C:H:Si und/oder a-C:H:Si:O aufweist.
  4. Triebwerksbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht eine Härte von mindestens 5 GPa, vorzugsweise von mindestens 7 GPa, weiter vorzugsweise von mindestens 10 GPa aufweist.
  5. Triebwerksbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht einen Verschleiß von weniger als 40 (m3/Nm)·10–15, vorzugsweise von weniger 30 (m3/Nm)·10–15, weiter vorzugsweise von weniger 20 (m3/Nm)·10–15 aufweist.
  6. Triebwerksbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht eine Oberflächenenergie von höchstens 32 mN/m, vorzugsweise von höchstens 28 mN/m, weiter vorzugsweise von höchstens 24 mN/m aufweist.
  7. Triebwerksbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumbeschichtungstechnik ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützte physikalische Gasphasenabscheidung (PA-PVD), und plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PA-CVD) oder einer Kombination der genannten.
  8. Triebwerksbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschicht 2 μm bis 10 μm, vorzugsweise 3 μm bis 7 μm, weiter vorzugsweise etwa 5 μm beträgt.
  9. Triebwerksbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es als Turbinenschaufel ausgebildet ist.
  10. Strahltriebwerk für den Einsatz in Luftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens ein Triebwerksbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
  11. Verfahren zum Beschichten eines Triebwerksbauteils, das zur Anordnung im Gasstrom einer Gasturbine vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Vakuumbeschichtungsverfahrens eine modifizierten wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht mit wenigstens einem Nichtmetall modifiziert ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht a-C:H:Si und/oder a-C:H:Si:O aufweist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht eine Härte von mindestens 600 HV30, vorzugsweise von mindestens 750 HV30, weiter vorzugsweise von mindestens 900 HV30 aufweist.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht einen Verschleiß von weniger als 40 (m3/Nm)·10–15, vorzugsweise von weniger 30 (m3/Nm)·10–15, weiter vorzugsweise von weniger 20 (m3/Nm)·10–15 aufweist.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht eine Oberflächenenergie von höchstens 28 mN/m, vorzugsweise von höchstens 24 mN/m, weiter vorzugsweise von höchstens 20 mN/m aufweist.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumsbeschichtungstechnik ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützte physikalische Gasphasenabscheidung (PA-PVD), und plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PA-CVD) oder einer Kombination der genannten.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschicht 2 μm bis 10 μm, vorzugsweise 3 μm bis 7 μm, weiter vorzugsweise etwa 5 μm beträgt.
  19. verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Triebwerksbauteil als Turbinenschaufel ausgebildet ist.
  20. Verfahren zur Instandsetzung eines Triebwerksbauteils, das zur Anordnung im Gasstrom einer Gasturbine vorgesehen ist, mit den Schritten: a) zur Verfügung stellen eines Triebwerksbauteils, das Verschleißerscheinungen aufweist; b) Aufarbeiten des Triebwerksbauteils zur Behebung oder Minderung der Verschleißerscheinungen; c) Aufbringen einer modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschicht nach einem der Ansprüche 11 bis 18 auf wenigstens einen Teil der Oberfläche des Triebwerksbauteils.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Triebwerksbauteil als Turbinenschaufel ausgebildet ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufarbeiten der Turbinenschaufel die Herstellung einer definierten Schaufelkontur umfasst.
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