DE102007047739B4

DE102007047739B4 - Gasturbinenverdichter mit Anlaufschicht

Info

Publication number: DE102007047739B4
Application number: DE200710047739
Authority: DE
Inventors: Erik Johann
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2027-10-06
Also published as: DE102007047739A1

Abstract

Gasturbine mit einem Verdichter (1), welcher zumindest eine Reihe von Schaufeln (2) umfasst, wobei die Schaufeln (2) jeweils mit einem freien Ende (3) versehen sind, wobei angrenzend an das freie Ende (3) der Schaufel (2) an einem ringförmigen Gehäusebereich (4) und/oder an einem ringförmigen Trommelbereich (5) eine Anlaufschicht (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusebereich (4) und/oder der Trommelbereich (5) nicht-vertieft ausgebildet ist und an seiner Oberfläche mit einer dünnen als Reibschicht arbeitenden Anlaufschicht (6) mit einer Dicke zwischen 50 μm und 150 μm versehen ist, wobei die Anlaufschicht (6) direkt auf den Gehäusebereich (4) und/oder den Trommelbereich (5) aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Gasturbine mit einem Verdichter, welcher zumindest eine Reihe von Schaufeln umfasst, die ein freies Ende oder einen freien Schaufelspitzenbereich aufweisen und somit als Kantilever ausgebildet sind. Bevorzugterweise sind die Verdichterschaufeln nicht verstellbar.
Um die Effizienz moderner Flugtriebwerke besonders unter umweltpolitischen Gesichtspunkten und steigenden Treibstoffkosten weiter zu verbessern, müssen Strömungsverluste im Triebwerk vermindert werden. Strömungsablösungen im Schaufelspitzenbereich verringern die Stabilität der Strömung und verschlechtern den Wirkungsgrad. Eine große Veränderung der Laufspalte von Rotor und Stator während des Betriebs des Triebwerks ist daher äußerst unerwünscht und kann zum Ausfall des Triebwerks führen.
Bisher werden relativ dicke Anlaufschichten aufgebracht mit etwa 0,5 bis 0,8 mm Dicke auf der Rotortrommel. Die Gehäuseeinlaufschichten sind bis 2 mm dick. Es ist bekannt, dass aufgrund von Alterung und thermisch-mechanischer Spannungen die An- bzw. Einlaufbeläge im Betrieb versagen.
Dabei kann es zum Abschalten des Triebwerks im Betrieb kommen oder zu einer nicht eingeplanten Reparatur des Verdichters.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Anlaufschicht, auch Liner genannt, welche angrenzend an das freie Ende der Schaufel vorgesehen ist, relativ dick auszuführen. Hierzu wird die meist aus einem keramischen Material gefertigte Anlaufschicht in eine ringförmige Vertiefung oder Tasche eingebracht, die beispielsweise eine Tiefe von 0,4 bis 0,6 mm, jedoch auch Tiefen bis zu 2 mm aufweisen kann. Die sehr dicke Anlaufschicht sitzt somit in der Tasche und ist üblicherweise mittels einer zusätzlichen Haftvermittlerschicht oder einem Bondlayer aufgebracht.
Dabei erweist es sich als zusätzlich nachteilig, dass der ringförmige Bereich, welcher mit der Anlaufschicht versehen ist, an der Trommel oder dem Rotor im Bereich der Schweißnaht angeordnet ist, welche die einzelnen Segmente des Rotors bzw. der Trommel verbindet. Zusätzlich ergibt sich somit eine Schwächung der Gesamtkonstruktion, welche durch zusätzliche Wanddickenvergrößerungen ausgeglichen werden muss.
Während des Betriebs wird somit die Keramikschicht der Anlaufschicht, welche mechanisch auf der Metalloberfläche des Gehäusebereichs oder des Trommelbereichs verankert ist, nicht nur mechanisch, sondern auch thermisch beansprucht. Hierdurch lösen sich Teile der Anlaufschicht während des Betriebs der Gasturbine. Dies kann dazu führen, dass der Verdichter insgesamt, bedingt durch den sich vergrößernden Spalt an der Schaufelspitze, nicht mehr zuverlässig arbeitet und im Extremfall pumpt. Hierdurch wird die Funktionsweise der Gasturbine erheblich gestört.
Durch die aus dem Stand der Technik bekannten aufwendigen Fertigungsschritte ergeben sich zusätzliche Kosten, insbesondere bedingt durch die mechanische Einarbeitung der ringförmigen Tasche sowie die aufwendige Aufbringung der sehr dicken Anlaufschicht.
Die US 48 67 639 A beschreibt eine abtragbare Deckbandbeschichtung in Form einer Wabenstruktur, welche eine erhebliche Bauhöhe aufweist und in einem vertieften Bereich des Gehäuses oder der Trommel angeordnet ist.
Die EP 1 555 392 A2 beschreibt ebenfalls eine dicke Anlaufschicht, welche in einer Ringnut gegenüberliegend zu den freien Schaufelenden eines Rotors bzw. Stators angeordnet ist.
Aus der DE 10 2004 034 312 A1 ist es ebenfalls bekannt, einen sehr dicken porösen Verschleißkörper vorzusehen, welcher mit einem Grundkörper verbunden ist. Nach der Verbindung des Verschleißkörpers mit dem Grundkörper werden diese beiden mit einer Oberflächenschicht überzogen, um die Oxidationsbeständigkeit und die Steifigkeit zu verbessern, ohne die Duktilität des Verschleißkörpers negativ zu beeinflussen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine mit einem Verdichter zu schaffen, welche unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik ein hohes Maß an Betriebssicherheit aufweist und kostengünstig fertigbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Gehäusebereich und/oder der Trommelbereich nicht-vertieft ausgebildet sind. Vielmehr weisen diese eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, welche glatt in den Umgebungsbereich übergeht. Es ergibt sich somit keine Materialschwächung. Die Einarbeitung einer Tasche ist nicht erforderlich, wodurch sich die Herstellungskosten erheblich vermindern.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an der Oberfläche des Gehäusebereichs und/oder des Trommelbereichs eine dünne Anlaufschicht bzw. Einlaufschicht ausgebildet ist. Diese weist beispielsweise eine Dicke zwischen 50 μm und 150 μm auf, wobei es besonders vorteilhaft sein kann, eine Dicke von etwa 100 Micrometer vorzusehen.
Erfindungsgemäß ergibt sich somit eine erheblich robustere Konstruktion, die einen längeren Betrieb des Verdichters gewährleistet und Ausfälle aufgrund des Verlusts von Anlaufschichten oder Einlaufschichten ausschließt.
Die Erfindung ist sowohl am Gehäusebereich als auch am Trommelbereich (Rotor) gleichermaßen anwendbar, wobei nicht zwangsläufig an beiden Bauteilen dieselbe Konstruktion vorliegen muss.
Hinsichtlich der Dimensionierung des Verdichters ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Spalt an der Schaufelspitze so bemessen ist, dass die Schaufeln beim Einlaufen der Gasturbine an dem Trommelbereich und/oder dem Gehäusebereich streift und dabei geringfügig abgearbeitet wird. Nach einer vorgegebenen Einlaufzeit, bei welcher die als Reibschicht arbeitende Anlaufschicht auch ganz oder teilweise abgearbeitet werden kann, stellt sich dann der gewünschte Schaufelspitzenspalt ein, der während des weiteren Betriebs der Gasturbine im Wesentlichen konstant bleibt. Der auftretende Betriebsspalt ist dabei nach Abarbeitung der erfindungsgemäß sehr dünnen Anlaufschicht innerhalb der konstruktiv geforderten Toleranz.
Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn die Anlaufschicht mittels eines Flammspritzverfahrens aufgebracht wird. Dabei ist keine zusätzliche Haftvermittlerschicht (Bondlayer) erforderlich.
Erfindungsgemäß können als Werkstoffe für die Anlaufschicht Aluminiumoxid, Nickelaluminium, Aluminium-Titanoxid oder Zirkoniumoxid verwendet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematisierte Teil-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters, und
2 eine vergrößerte Teil-Darstellung eines Rotor-Trommelbereichs.
Die 1 zeigt in schematischer Weise einen Teilbereich einer Gasturbine mit einem Verdichter 1, welcher mehrere Schaufeln 2 umfasst, die alternierend an einem Rotor 7 (Trommel) oder einem Gehäuse 8 gelagert sind, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Schaufeln 2 umfassen freie Spitzenbereiche und sind somit in Kantilever-Bauweise ausgebildet. Die freien Spitzenbereiche oder freien Enden 3 der Schaufeln 2 grenzen jeweils an einen Gehäusebereich 4 bzw. einen Trommelbereich 5. Diese sind in Form eines ringförmigen Streifens ausgebildet.
Wie insbesondere aus der vergrößerten Darstellung der 2 ersichtlich ist, ist der Rotor 7 aus einzelnen Segmenten gefertigt, welche durch Schweißnähte 9 verbunden sind. Die Schweißnähte 9 befinden sich im Bereich der ringförmigen Trommelbereiche 5.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der ringförmige Trommelbereich 5 und/oder der ringförmige Gehäusebereich 4 nicht-vertieft ausgebildet sind, so dass sich eine glatte, im Wesentlichen zylindrische oder im Wesentlichen konische Oberflächenform ergibt. Auf den Gehäusebereich 4 und/oder den Trommelbereich 5 ist eine relativ dünne Anlaufschicht 6 aufgebracht, welche mit einer Dicke zwischen 50 μm und 150 μm versehen sein kann. Es ist auch möglich, die Dicke der Anlaufschicht beispielsweise bis zu 200 μm auszuführen. Eine bevorzugte Dicke liegt bei 100 μm. Die Anlaufschicht ist ohne Haftvermittlerschicht direkt auf das Material des Gehäusebereichs oder des Trommelbereichs aufgebracht, beispielsweise mittels eines Flammspritzverfahrens. Es liegt somit keine Tasche vor, in welcher eine dicke Anlaufschicht vorhanden wäre, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, welche sich im Betrieb lösen könnte.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Schaufel
3: Freies Schaufelende
4: Gehäusebereich
5: Trommelbereich
6: Anlaufschicht
7: Rotor/Trommel
8: Gehäuse
9: Schweißnaht

Claims

Gasturbine mit einem Verdichter (1), welcher zumindest eine Reihe von Schaufeln (2) umfasst, wobei die Schaufeln (2) jeweils mit einem freien Ende (3) versehen sind, wobei angrenzend an das freie Ende (3) der Schaufel (2) an einem ringförmigen Gehäusebereich (4) und/oder an einem ringförmigen Trommelbereich (5) eine Anlaufschicht (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusebereich (4) und/oder der Trommelbereich (5) nicht-vertieft ausgebildet ist und an seiner Oberfläche mit einer dünnen als Reibschicht arbeitenden Anlaufschicht (6) mit einer Dicke zwischen 50 μm und 150 μm versehen ist, wobei die Anlaufschicht (6) direkt auf den Gehäusebereich (4) und/oder den Trommelbereich (5) aufgebracht ist.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufschicht (6) eine Dicke von 100 μm aufweist.
Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufschicht (6) ohne Haftvermittlerschicht aufgebracht ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufschicht (6) mittels eines Flammspritzverfahrens aufgebracht ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufschicht (6) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist.