DE102009060570A1 - Method for producing a rotor / stator seal of a gas turbine - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbringen einer Keramikschicht (21) auf die Dichtflächen (4) von am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils (1) angeordneten Dichtsegmenten (3) einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Aufbringen der Keramikschicht (21) erfolgt, während sich die Dichtsegmente (3) im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil (1) befinden.The invention relates to a method for applying a ceramic layer (21) to the sealing surfaces (4) of sealing segments (3) of a rotor / stator seal of a gas turbine arranged on the inner circumference of a turbine housing part (1). According to the invention, the ceramic layer (21) is applied while the sealing segments (3) are in the turbine housing part (1) in the installed state.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Keramikschicht auf die Dichtflächen von am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils angeordneten Dichtsegmenten einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine.The invention relates to a method for applying a ceramic layer to the sealing surfaces of arranged on the inner circumference of a turbine housing part sealing segments of a rotor / stator seal of a gas turbine.
Bei Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen wie beispielsweise Strahltriebwerken von Flugzeugen, vermindern Leckströme durch Spalte zwischen zusammenwirkenden und sich relativ zu einander bewegenden Rotor- und Statorbauteilen den Wirkungsgrad. Um diese Spaltverluste zu minimieren und damit den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine hoch zu halten, ist es erforderlich, den Spalt zwischen den üblicherweise hochtourig laufenden Rotorschaufeln und der dem Rotor umgebenden, zum Stator gehörenden Dichtfläche des Gehäuses im laufenden Betrieb der Maschine gering zu halten. Dies ist problematisch, da sich Rotorschaufeln bei hoher Belastung sowohl durch thermische Beanspruchung als auch durch Zentrifugalkräfte in Radialrichtung Längen, während das Gehäuse in der Regel nur eine geringe thermische Dehnung und damit Vergrößerung des Gehäuseumfangs erfährt. Das Spaltmaß ist also im Betrieb der Gasturbine veränderlichIn turbo machinery, particularly gas turbines such as jet engines of aircraft, leakage currents through gaps between cooperating and relatively moving rotor and stator components reduce efficiency. In order to minimize this gap losses and thus to keep the efficiency of the turbomachine high, it is necessary to keep the gap between the usually high-speed rotor blades and the rotor surrounding, belonging to the stator sealing surface of the housing during operation of the machine low. This is problematic because rotor blades under high load both by thermal stress as well as by centrifugal forces in the radial direction lengths, while the housing usually only a small thermal expansion and thus enlargement of the housing circumference experiences. The gap is thus variable in the operation of the gas turbine
Um diesen Spaltmaßveränderungen Rechnung zu tragen, sind sogenannte Einlaufdichtungen (abradable seals) bekannt (
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das ein einfaches und kostengünstiges Aufbringen einer Einlaufschicht (abradable seal) gestattet und sich insbesondere für eine Erneuerung bzw. einen Austausch einer Rotor-/Statordichtung im Zuge der Wartung oder Reparatur einer Gasturbine eignet.The invention has for its object to provide a method of the type mentioned above, which allows a simple and inexpensive application of an inlet layer (abradable seal) and in particular for a renewal or replacement of a rotor / stator seal in the course of maintenance or repair a gas turbine is suitable.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Aufbringen der Keramikschicht erfolgt, während sich die Dichtsegmente im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil befinden.According to the invention it is provided that the application of the ceramic layer takes place while the sealing segments are in the installed state in the turbine housing part.
Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert.First, some terms used in the invention are explained.
Eine Gasturbine ist eine Strömungsmaschine, bei der die thermische Energie eines durch Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder anderen Treibstoffen entstehenden Heißgasstroms in mechanische Energie umgesetzt wird. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Strahl- oder Turboproptriebwerken von Flugzeugen.A gas turbine is a turbomachine in which the thermal energy of a generated by combustion of hydrocarbons or other fuels hot gas stream is converted into mechanical energy. The invention is particularly applicable to jet or turboprop engines of aircraft.
Eine Rotor-/Statordichtung dichtet in einer Drehbewegung relativ zueinander laufende Bauteile der Gasturbine gegeneinander ab, insbesondere die Schaufelspitzen eines Rotors gegen den Umfang eines umgebenden Turbinengehäuses.A rotor / stator seal seals in a rotational movement relative to each other running components of the gas turbine from each other, in particular the blade tips of a rotor against the circumference of a surrounding turbine housing.
Der Begriff Turbinengehäuseteil bezeichnet im Kontext des Anspruch 1 denjenigen Teil der Turbine, der die den Rotor umgebende Statordichtung aufweist bzw. haltert. Es kann sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um ein Modul eines Strahltriebwerks handeln, in dem die Statordichtung angeordnet ist.In the context of claim 1, the term turbine housing part designates that part of the turbine which has or holds the stator seal surrounding the rotor. In the context of the invention, it may in particular be a module of a jet engine in which the stator seal is arranged.
Am Innenumfang dieses Turbinengehäuseteils sind Dichtsegmente angeordnet. Der Begriff Dichtsegmente bezeichnet demontierbare bzw. einzeln austauschbare Teile, die jeweils einen Bruchteil des Innenumfangs des Turbinengehäuses auskleiden. Eine Mehrzahl von Dichtsegmenten erstreckt sich über den gesamten Umfang des Turbinengehäuseteils und bildet gemeinsam die Statordichtung.On the inner circumference of this turbine housing part sealing segments are arranged. The term sealing segments refers to removable or individually replaceable parts, each lining a fraction of the inner circumference of the turbine housing. A plurality of sealing segments extend over the entire circumference of the turbine housing part and together form the stator seal.
Die Dichtsegmente weisen Dichtflächen auf, es handelt sich um diejenigen Flächen, die dem Rotor zugewandt sind. Auf diese Dichtflächen wird erfindungsgemäß eine Keramikschicht aufgebracht. Der Begriff Keramikschicht bezeichnet im Rahmen der Erfindung alle Materialien, die einen Anteil keramischer Materialien aufweisen und zur Ausbildung eines sogenannten abradable seals (Einlaufdichtung) geeignet sind. In aller Regel basieren diese Keramikschichten auf Materialien wir ZrO2, Al2O3 und/oder anderen Metall-, Übergangsmetall- oder Seltenerdoxiden bzw. -mischoxiden.The sealing segments have sealing surfaces, which are those surfaces which face the rotor. On these sealing surfaces according to the invention a ceramic layer is applied. The term ceramic layer designates in the context of the invention all materials which have a proportion of ceramic materials and are suitable for forming a so-called abradable seals (inlet seal). As a rule, these ceramic layers are based on materials such as ZrO 2 , Al 2 O 3 and / or other metal, transition metal or rare earth oxides or mixed oxides.
Erfindungsgemäß erfolgt das Aufbringen der Keramikschicht, während sich die Dichtsegmente im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil befinden. Dies bedeutet, dass das Aufbringen der Keramikschicht erfolgt, während die Dichtsegmente im Einbauzustand, d. h. verbunden mit dem Turbinengehäuseteil, eine gemeinsame, sich über den gesamten Umfang des Turbinengehäuseteils erstreckende Dichtfläche bilden.According to the application of the ceramic layer, while the sealing segments are in the installed state in the turbine housing part. This means that the application of the ceramic layer takes place, while the sealing segments in the installed state, d. H. connected to the turbine housing part, form a common, extending over the entire circumference of the turbine housing part sealing surface.
Dieses Beschichten im Einbauzustand hat eine Reihe von Vorteilen. Zum einen muss die Gasturbine bzw. das Strahltriebwerk nur bis zur Modulebene zerlegt werden, die aufwändige und damit kostenträchtige Zerlegung bis auf die Einzelteilebene entfällt. Zum anderen wird bei einer Beschichtung im Einbauzustand auf der Modulebene von vornherein eine einheitliche über den Umfang egalisierte Keramikschicht aufgetragen. Bei der im Stand der Technik üblichen Beschichtung der Einzelteile kommt es durch unvermeidbare Toleranzen im Zuge des nachgelagerten Einbaus der Dichtsegmente zu Unstetigkeiten an den Übergangs- bzw. Stoßstellen in Umfangsrichtung aneinander angrenzender Dichtsegmente, so dass in aller Regel eine Nachbearbeitung (beispielsweise Schleifen) zur Herstellung einer über den gesamten Umfang egalisierten Dichtfläche erforderlich ist. Im Stand der Technik müssen auf die einzelnen Dichtsegmente verhältnismäßig dicke Einlaufschichten aufgebracht werden, damit genügend Substanz für das nach dem Zusammenbau unvermeintliche Präzisionsschleifen vorhanden ist. Dies ist aufwändig und erhöht die Kosten. Zudem weisen die im Stand der Technik erforderlichen dickeren Keramikschichten eine Neigung zu Abplatzen von Material auf.This coating in the installed state has a number of advantages. On the one hand, the gas turbine or the jet engine only has to be disassembled down to the module level, which eliminates the time-consuming and cost-intensive disassembly down to the component level. On the other hand, in the case of a coating in the installed state on the module level, a uniform ceramic layer which has been leveled over the circumference is applied from the outset. At the stand The usual technique of coating the items it comes by unavoidable tolerances in the course of the downstream installation of the sealing segments to discontinuities at the transition or joints in the circumferential direction of adjacent sealing segments, so that usually a post-processing (for example, loops) to produce a over the entire Scope equalized sealing surface is required. In the prior art relatively thick inlet layers must be applied to the individual sealing segments, so that enough substance is present for the after assembly unanticipated precision grinding. This is costly and increases the cost. In addition, the thicker ceramic layers required in the prior art have a tendency to flake off material.
Alternativ kann im Stand der Technik vorgesehen sein, dass man die Ungenauigkeiten der Dichtfläche über den gesamten Umfang des Stators in Kauf nimmt und gepanzerte Rotorspitzen bei dem ersten Motorlauf in die Keramikschicht einschneiden lässt. Auch hier sind aber wieder verhältnismäßig dicke Keramikschichten erforderlich, die die beschriebene Neigung zum Abplatzen aufweisen.Alternatively, it can be provided in the prior art that the imperfections of the sealing surface over the entire circumference of the stator are accepted and that armored rotor tips can be cut into the ceramic layer during the first motor run. Again, but relatively thick ceramic layers are required again, which have the tendency to flake described.
Das Aufbringen der Keramikschicht erfolgt erfindungsgemäß besonders bevorzugt durch atmosphärisches Plasmaspritzen (atmospheric plasma spray, APS). Beim Plasmaspritzen wird ein Plasmastrahl verwendet, deren thermische Energie erzeugt wird durch die Rekombination eines vorher erzeugten Gasplasmas. In den Plasmastrahl wird das aufzutragende Material als Pulver gespeist. Beim atmosphärischen Plasmaspritzen erfolgt der Materialauftrag in normaler Umgebungsatmosphäre. Die Verwendung von atmosphärischen Plasmaspritzen als Verfahren zum Aufbringen der Keramikschicht hat den besonderen Vorteil, dass die in der Regel recht großen Turbinengehäuseteile nicht in eine kontrollierte Atmosphäre wie beispielsweise eine Unterdruckkammer überführt werden müssen. Die beim atmosphärischen Plasmaspritzen erzielbare Qualität der Keramikschicht ist für die erfindungsgemäßen Zwecke ohne weiteres hinreichend.The application of the ceramic layer is carried out according to the invention particularly preferably by atmospheric plasma spray (APS). In plasma spraying, a plasma jet is used whose thermal energy is generated by the recombination of a previously generated gas plasma. In the plasma jet, the material to be applied is fed as powder. In the case of atmospheric plasma spraying, the material is applied in a normal ambient atmosphere. The use of atmospheric plasma spraying as a method for applying the ceramic layer has the particular advantage that the usually quite large turbine housing parts do not have to be transferred into a controlled atmosphere such as a vacuum chamber. The achievable in the atmospheric plasma spraying quality of the ceramic layer is readily sufficient for the purposes of the invention.
Das bereits mehrfach genannte Turbinengehäuseteil kann erfindungsgemäß beispielsweise ein sogenanntes High Pressure Turbine Shroud Support (HPT Shroud Support) eines Strahltriebwerks sein. Die erfindungsgemäß möglich gute Dichtwirkung bzw. die Erzielung eines geringen Dichtspaltes kann sich insbesondere bei der Hochdruckturbine in einem verbesserten Wirkungsgrad und damit einer Treibstoffeinsparung bemerkbar machen. Die erfindungsgemäß aufgebrachte Keramikschicht weist vorzugsweise eine Porosität von 10 bis 40 Vol.-%, weiter vorzugsweise 20 bis 30 Vol.-% auf. Eine solche Porosität trägt dazu bei, die Keramikschicht hinreichend weich zu gestalten und ihr sogenannte Einlaufeigenschaften zu verleihen. Gerät die Schaufelspitze des Rotors mit einer solchen Keramikschicht in Kontakt, soll die Werkstoff- bzw. Reibpaarung derart gestaltet sein, dass ausschließlich oder vorwiegend die Keramikschichtdichtfläche abgetragen wird und kein oder nur ein geringer Verschleiß an der Schaufelspitze auftritt.According to the invention, the turbine housing part already referred to several times may be, for example, a so-called high pressure turbine shroud support (HPT Shroud Support) of a jet engine. The inventively possible good sealing effect or the achievement of a small sealing gap can make noticeable in particular in the high-pressure turbine in an improved efficiency and thus a fuel economy. The ceramic layer applied according to the invention preferably has a porosity of 10 to 40% by volume, more preferably 20 to 30% by volume. Such a porosity helps to make the ceramic layer sufficiently soft and to give it so-called enema properties. If the blade tip of the rotor comes into contact with such a ceramic layer, the material or friction pair should be designed so that exclusively or predominantly the ceramic layer sealing surface is removed and no or only slight wear occurs on the blade tip.
Zur Erzielung der Porosität ist es bevorzugt, dass das aufgebrachte Keramikmaterial im Zeitpunkt des Aufbringens einen Anteil eines thermisch entfernbaren Stoffes enthält. Dabei kann es sich insbesondere um ein Polymer wie beispielsweise ein Polyester handeln. Thermisch entfernbar bedeutet, dass der Stoff bei Zufuhr thermischer Energie weitgehend oder vollständig rückstandsfrei aus der Keramikschicht entweicht und dabei Hohlräume in Form von Poren hinterlässt. Das Entfernen kann geschehen durch Verdampfen, Sublimation oder thermische Zersetzung bzw. Verbrennung unter Entweichen gasförmiger Zersetzungsprodukte.In order to achieve porosity, it is preferred that the applied ceramic material at the time of application contain a proportion of a thermally removable substance. This may in particular be a polymer such as a polyester. Thermally removable means that the material escapes largely or completely without leaving any residue from the ceramic layer when it is supplied with thermal energy, leaving behind cavities in the form of pores. The removal can be done by evaporation, sublimation or thermal decomposition or combustion with escape of gaseous decomposition products.
Das Keramikmaterial der Keramikschicht basiert beispielsweise auf ZrO2 (Zirkondioxid), es kann dotiert sein mit Seltenerdmetalloxiden wie beispielsweise Y2O3 oder anderen. Geeignete aufsprühbare Keramikpulver können beispielsweise auf YSZ (Yttria stabilized Zirconia) basieren und 3 bis 9 Gew.-%, vorzugsweise 4 bis 6 Gew.-% Polyester zur Herstellung der gewünschten Porosität enthalten. Ein geeignetes Pulver ist beispielsweise von Sulzer Metco unter der Bezeichnung Metco 2460 NS erhältlich.The ceramic material of the ceramic layer is based, for example, on ZrO 2 (zirconium dioxide), it may be doped with rare earth metal oxides such as Y 2 O 3 or others. For example, suitable spray-on ceramic powders may be based on YSZ (yttria stabilized zirconia) and may contain 3 to 9 wt%, preferably 4 to 6 wt% polyester to produce the desired porosity. A suitable powder is available, for example, from Sulzer Metco under the name Metco 2460 NS.
Die Dicke der aufgebrachten Keramikschicht kann erfindungsgemäß zwischen 0,1 und 0,7 mm, weiter vorzugsweise 0,1 und 0,5 mm liegen. Häufig werden Schichten im Bereich 0,2 bis 0,4 oder 0,2 bis 0,3 mm aufgebracht.The thickness of the applied ceramic layer may according to the invention be between 0.1 and 0.7 mm, more preferably 0.1 and 0.5 mm. Frequently layers are applied in the range 0.2 to 0.4 or 0.2 to 0.3 mm.
Es ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt, dass vor dem Aufbringen der Keramikschicht eine Haftvermittlerschicht auf das Substrat der Dichtsegmente aufgebracht wird. Die Dicke der Haftvermittlerschicht beträgt bevorzugt 0,1 mm oder weniger. Bei der Haftvermittlerschicht handelt es sich bevorzugt um eine MCrAlY-Schicht, bei der M bevorzugt ein Metall ausgewählt aus der Gruppe Nickel, Kobalt, Eisen oder Kombinationen daraus ist. Andere Elemente wie beispielsweise Hafnium oder Silizium als sogenannte reactive element additions können hinzugefügt werden, um die Oxidationsbeständigkeit und Lebensdauer der Haftvermittlerschicht (Bond Coat) zu erhöhen. Die Haftvermittlerschicht wird bevorzugt ebenfalls durch Plasmaspritzen aufgebracht. Ggf. kann Vakuumplasmaspritzen (low vacuum plasma spray, LVPS) verwendet werden, bevorzugt ist jedoch das bereits beschriebene atmosphärische Plasmaspritzen. Ein geeignetes Material für die Haftvermittlerschicht ist beispielsweise ein ebenfalls von Sulzer Metco erhältliches feinkörniges Pulver auf CONiCrALY Basis wie beispielsweise Amdry 365-2.It is preferred within the scope of the invention for an adhesion promoter layer to be applied to the substrate of the sealing segments before the ceramic layer is applied. The thickness of the primer layer is preferably 0.1 mm or less. The primer layer is preferably an MCrAlY layer in which M is preferably a metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, iron or combinations thereof. Other elements such as hafnium or silicon as so-called reactive element additions can be added to increase the oxidation resistance and lifetime of the bond coat. The primer layer is preferably also applied by plasma spraying. Possibly. For example, low vacuum plasma spray (LVPS) may be used, but the atmospheric plasma spray already described is preferred. A suitable material for the adhesion promoter layer is, for example, also from Sulzer Metco offers CONiCrALY-based fine-grained powder such as Amdry 365-2.
In den Dichtflächen von Dichtsegmenten einer Hochdruckturbine (sogenannten HPT Shrouds) sind häufig Kühlluftbohrungen vorhanden, um die thermische Belastung der HPT Shrouds zu verringern. Es kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft sein, diese Kühlluftbohrungen vor dem Aufbringen der Keramikschicht sowie etwaiger Haftvermittlerschichten oder sonstiger Schichten zu verschließen, um zu verhindern, dass die Kühlluftbohrungen verschlossen oder im Querschnitt unzulässig verkleinert werden. Gemäß einer Variante der Erfindung werden solche Kühlluftbohrungen vor dem Aufbringen der Keramikschicht (und bevorzugt auch vor dem Aufbringen einer Haftvermittlerschicht oder sonstiger etwaiger Zwischenschichten) mit einem thermisch entfernbaren Material temporär verschlossen. „Thermisch entfernbar” bedeutet, dass dieses Material im Anschluss an das Aufbringen der Keramikschicht und etwaiger Nachbearbeitungen wie beispielsweise Schleifen oder dergleichen entfernt werden kann durch eine Wärmebehandlung oder bei einem ersten Turbinenlauf durch die dann auftretende Wärmebelastung entfernt wird. Die thermische Entfernung kann insbesondere durch Verdampfen, Sublimation oder thermische Zersetzung zu vorzugsweise gasförmigen Zersetzungsprodukten erfolgen. Sie erfolgt bevorzugt vollständig oder weitgehend rückstandsfrei.In the sealing surfaces of sealing segments of a high-pressure turbine (so-called HPT Shrouds) are often cooling air holes available to reduce the thermal load on the HPT Shrouds. It may be advantageous in the context of the invention to close these cooling air holes prior to application of the ceramic layer and any adhesion promoter layers or other layers in order to prevent the cooling air holes are closed or reduced in cross-section impermissibly. According to a variant of the invention, such cooling air holes are temporarily closed with a thermally removable material prior to the application of the ceramic layer (and preferably also before the application of a primer layer or any other intermediate layers). "Thermally removable" means that this material can be removed following the application of the ceramic layer and any post-processing such as grinding or the like by a heat treatment or in a first turbine run is removed by the then occurring heat load. The thermal removal can be carried out in particular by evaporation, sublimation or thermal decomposition to preferably gaseous decomposition products. It is preferably carried out completely or largely without residue.
Bevorzugte thermisch entfernbare Materialien sind Polymere bzw. Kunststoffe. Bevorzugt ist es, dass die Kühlluftbohrungen verschlossen werden mit einem noch nicht ausgehärteten Gemisch von Monomeren, Oligomeren und/oder Präpolymeren, die anschließend zur Aushärtung gebracht werden. Die Aushärtung kann erfindungsgemäß durch Wärme oder bevorzugt durch Licht oder UV-Strahlung induziert werden. Bevorzugt werden UV- oder lichthärtende Kunststoffe verwendet, weiter bevorzugt Acrylate und/oder Methacrylate. Beispielsweise kann es sich um Epoxyacrylate, Urethanacrylate, Polyesteracrylate, Polyetheracrylate und Silikonacrylate handeln. Entsprechende lichthärtende Kunststoffe sind dem Fachmann geläufig. Die Viskosität und Beschaffenheit des zum Verschluss der Kühlluftbohrungen noch nicht ausgehärteten Gemischs ist bevorzugt der Gestalt, dass eine sichere Applikation eines viskosen Gels möglich ist und dieses vor dem Aushärten nicht oder nur in noch hinnehmbarer Weise wegfließt. Geeignete Kunststoffe bzw. Klebstoffe sind beispielsweise erhältlich von der Firma Dymax Europe GmbH, Frankfurt.Preferred thermally removable materials are polymers or plastics. It is preferred that the cooling air holes are closed with a not yet cured mixture of monomers, oligomers and / or prepolymers, which are then brought to cure. The curing can be induced according to the invention by heat or preferably by light or UV radiation. Preference is given to using UV or light-curing plastics, more preferably acrylates and / or methacrylates. For example, they may be epoxy acrylates, urethane acrylates, polyester acrylates, polyether acrylates and silicone acrylates. Corresponding light-curing plastics are familiar to the person skilled in the art. The viscosity and nature of the mixture which has not yet hardened to occlude the cooling air bores is preferably of the form that safe application of a viscous gel is possible and that it does not flow away before hardening or only in a still acceptable manner. Suitable plastics or adhesives are available, for example, from Dymax Europe GmbH, Frankfurt.
Das erfindungsgemäße Verschließen von Kühlluftbohrungen vor dem Aufbringen der Keramikschicht vermeidet ein im Stand der Technik häufig notwendiges aufwendiges Aufbohren von Kühlluftöffnungen nach Aufbringen einer Keramikschicht. Bei diesem Verschließen der Kühlluftbohrungen handelt es sich um einen besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung, für den die Anmelderin ggf. auch Schutz beansprucht im Kontext der Beschichtung eines einzelnen, ausgebauten Dichtsegments, das sich somit nicht mehr im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil befindet.The closing of cooling air bores according to the invention prior to the application of the ceramic layer avoids a costly boring of cooling air openings, which is often necessary in the prior art, after application of a ceramic layer. This closure of the cooling air holes is a particularly advantageous aspect of the invention, for which the applicant may also claim protection in the context of the coating of a single, expanded sealing segment, which is thus no longer in the installed state in the turbine housing part.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Reparatur von Dichtflächen von am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils angeordneten Dichtsegmenten einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine, mit den Schritten:
- a) zur Verfügung stellen des demontierten Turbinengehäuseteils, wobei sich die Dichtsegmente im Einbauzustand in denn Turbinengehäuseteil befinden,
- b) Abtragen von Material von den Dichtflächen der Dichtsegmente,
- c) Aufbringen einer Keramikschicht mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 12.
- a) make available the disassembled turbine housing part, wherein the sealing segments are in the installed state in the turbine housing part,
- b) removal of material from the sealing surfaces of the sealing segments,
- c) applying a ceramic layer by means of a method according to one of claims 1 to 12.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Reparatur einer Gasturbine, die wenigstens einen Rotor und am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils angeordnete Dichtsegmente einer Rotor/Statordichtung aufweist, wobei im Neuzustand der Gasturbine ein Dichtspalt zwischen den Rotorflügelspitzen und den Dichtflächen der Dichtsegmente vorgesehen ist, mit den Schritten:
- a) Demontieren der Gasturbine und zur Verfügung stellen des demontierten Turbinengehäuseteils, wobei sich die Dichtsegmente im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil befinden,
- b) Abtragen von Material von den Dichtflächen der Dichtsegmente,
- c) Aufbringen einer Keramikschicht mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 12, so dass ein Dichtspalt entsteht, der kleiner ist als der Dichtspalt im Neuzustand.
- a) dismantling the gas turbine and providing the disassembled turbine housing part, wherein the sealing segments are in the installed state in the turbine housing part,
- b) removal of material from the sealing surfaces of the sealing segments,
- c) applying a ceramic layer by means of a method according to one of claims 1 to 12, so that a sealing gap is formed which is smaller than the sealing gap in the new state.
Gemäß diesen beiden Aspekten der Erfindung steht im Vordergrund ein Reparaturverfahren, bei dem eine gezielte Neuherstellung der Dichtflächen erfolgt. Gemeinsam ist den Reparaturverfahren der Ansprüche 13 und 14, das die Reparatur erfolgt auf der Ebene des Turbinengehäusemoduls ohne weitere Zerlegung in die Einzelteile, also insbesondere mit den Dichtsegmenten im Einbauzustand. Ferner wird erfindungsgemäß von den Dichtflächen der Dichtsegmente Material abgetragen, so dass Platz geschaffen wird für das Neuaufbringen einer Keramikschicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.In accordance with these two aspects of the invention, the focus is on a repair process in which a targeted new production of the sealing surfaces takes place. Common to the repair method of
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen die reparierten Turbinengehäuseteile bzw. Gasturbinen vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine metallische Dichtfläche auf, also weder eine erfindungsgemäß aufgebrachte noch andersartige keramische Dichtfläche. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung (Merkmal c) des Anspruchs 14) wird bei einer erfindungsgemäß durchgeführten Reparatur ein Dichtspalt hergestellt, der kleiner ist als der Dichtspalt im Neuzustand der Gasturbine. Es handelt sich hier somit um ein Verfahren, mit dessen Hilfe der Wirkungsgrad einer Gasturbine erhöht werden kann. Dies ist ein besonders wichtiger Aspekt der Erfindung im Rahmen der sogenannten Green Aviation, bei der der Treibstoffverbrauch und CO2-Ausstoß von Flugzeugtriebwerken verringert werden soll. Dieser Aspekt der Erfindung soll nachfolgend noch näher erläutert werden.According to a further aspect of the invention, the repaired turbine housing parts or gas turbines before carrying out the method according to the invention on a metallic sealing surface, so neither inventively applied nor other types of ceramic sealing surface. According to one Another aspect of the invention (feature c) of claim 14) in a repair carried out according to the invention, a sealing gap is produced, which is smaller than the sealing gap in the new state of the gas turbine. It is thus a method by which the efficiency of a gas turbine can be increased. This is a particularly important aspect of the invention within the framework of the so-called Green Aviation, in which the fuel consumption and CO 2 emissions of aircraft engines should be reduced. This aspect of the invention will be explained in more detail below.
Die erfindungsgemäßen Reparaturverfahren sind verwendbar bei Gasturbinen, die im Neuzustand eine keramische Dichtfläche besitzen und bei denen es vorgesehen ist, dass die Blattspitzen des Rotors in bestimmten Betriebszuständen in diese Dichtflächen einlaufen und einen Materialabtrag verursachen. Bei Verwendung keramischer Dichtflächen werden im Stand der Technik die Blattspitzen der Turbinenschaufeln häufig mit einer Panzerung bzw. auf der Basis von kubischen Bohrnitrid (CBN) versehen. Bei Verwendung einer erfindungsgemäß aufgebrachten Keramikschicht ist eine solche Panzerung nicht zwingend erforderlich.The repair methods according to the invention can be used in gas turbines which have a ceramic sealing surface when new and in which it is provided that the blade tips of the rotor run into these sealing surfaces in certain operating states and cause material removal. When using ceramic sealing surfaces in the prior art, the blade tips of the turbine blades are often provided with an armor or on the basis of cubic Bohrnitrid (CBN). When using a ceramic layer applied according to the invention, such armoring is not absolutely necessary.
Es gibt ebenfalls Strahltriebwerke für Flugzeuge (beispielsweise General Electric CFM56 und CF6-80), die metallische Dichtflächen aufweisen. Bei diesen Motoren soll durch eine genaue Kontrolle von Geometrie und Fertigungs- sowie Montagetoleranzen vermieden werden, dass beim erstmaligen Einlaufen oder später im Betrieb die Rotorspitzen mit den metallischen Dichtflächen in Kontakt geraten. Um ein hier unerwünschtes Einlaufen sicher bei allen Betriebszuständen zu vermindern, ist häufig ein verhältnismäßig großer Dichtspalt erforderlich, durch den sich der Wirkungsgrad des Triebwerks vermindert.There are also jet engines for aircraft (for example General Electric CFM56 and CF6-80) which have metallic sealing surfaces. With these motors, precise control of geometry and manufacturing and assembly tolerances should prevent the rotor tips from coming into contact with the metallic sealing surfaces during initial startup or later during operation. In order to safely reduce this unwanted shrinkage in all operating conditions, a relatively large sealing gap is often required, which reduces the efficiency of the engine.
Erfindungsgemäß kann auch bei solchen Gasturbinen mit metallischen Dichtflächen eine Keramikschicht auf die Dichtfläche gemäß dem Reparaturverfahren des Anspruchs 14 aufgebracht werden. Bei diesem Verfahren wird die metallische Dichtfläche ganz oder teilweise abgetragen, so dass auf dem Innenumfang des entsprechenden Turbinengehäuseteils Platz zur Verfügung steht für das erfindungsgemäße Aufbringen einer keramischen Dichtfläche. Diese kann so konzipiert und aufgetragen werden, dass nach der Wiedermontage der Gasturbine der Dichtspalt geringer ist als im Neuzustand mit metallischer Dichtfläche. Die Verkleinerung des Dichtspalts ist möglich, da bei der erfindungsgemäß aufgebrachten keramischen Dichtfläche ein Einlaufen der Blattspitzen in die Dichtfläche toleriert werden kann. Wenn ein solches Einlaufen stattfindet, wird aufgrund der Materialpaarung der einlaufenden Blattspitze in die weiche Keramikschicht lediglich diese Keramikschicht abgetragen. Kommt es bei einer metallischen Dichtfläche in ungünstigen Betriebszuständen zu einem nicht vorgesehenen Einlaufen der Blattspitze in die metallische Dichtfläche, kann es zu einem Materialabtrag auch auf den Blattspitzen der Rotoren kommen, so dass sich der Dichtspalt weiter vergrößert und auch durch eine Wiederherstellung der Dichtfläche nicht wieder auf das ursprünglich vorgesehene Maß gebracht werden kann.According to the invention, a ceramic layer can also be applied to the sealing surface according to the repair method of
Die Verwendung des atmosphärischen Plasmaspritzens bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den weiteren Vorteil einer verhältnismäßig geringen Prozesstemperatur. Da der Plasmastrahl nur verhältnismäßig wenig thermische Energie auf die zu beschichtenden Dichtsegmente überträgt, wird ein möglicher Verzug der zusammengesetzten Bauteile vermieden. Wie nachfolgend im Ausführungsbeispiel noch erläutert, kann man während des Beschichtens das Modul mit den eingebauten Dichtsegmenten rotieren lassen, so dass die Einwirkzeit des Plasmastrahls auf ein einzelnes Dichtsegment verhältnismäßig gering ist und das entsprechende Segment während der weiteren Rotation des Moduls abkühlen kann, bevor es wieder in Kontakt mit dem Plasmastrahl kommt.The use of atmospheric plasma spraying in carrying out the method according to the invention has the further advantage of a relatively low process temperature. Since the plasma jet transmits only relatively little thermal energy to the sealing segments to be coated, a possible distortion of the assembled components is avoided. As will be explained below in the exemplary embodiment, the module with the built-in sealing segments can be rotated during the coating, so that the exposure time of the plasma jet to a single sealing segment is relatively low and the corresponding segment can cool down during the further rotation of the module before it again comes into contact with the plasma jet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:An embodiment of the invention will be described below with reference to the drawings. Show:
In
Im Betrieb des Triebwerks kann es aufgrund thermischer Ausdehnungen und/oder einer in
Der gesamte in
Anschließend erfolgt eine Reinigung der zu beschichtenden Dichtflächen
Zur Vorbereitung der Plasmabeschichtung wird ein sogenanntes Aktivierungsstrahlen durchgeführt. Zu diesem Zweck wird Al2O3-Strahlgut der Körnung Mesh 36 verwendet. Folgende Strahlparameter eignen sich für das Aktivierungsstrahlen:
Rotationsgeschwindigkeit 15 min–1, zwei vertikale Hübe, Strahldruck 1,6 bar, Abstand der Düse 200 mm, Strahlwinkel 45°. Es soll dabei vermieden werden, dass Strahlgut in die Kühlluftbohrungen
Die aufgebrachte Aktivierungsschicht ist in
Sofern eine Keramikschicht mit einer Schichtdicke von mehr als 0,2 oder 0,3 mm aufgebracht werden soll, wird in der Regel ein temporäres Verschließen der Kühlluftkanäle
Im nächsten Schritt wird eine in
1 Hub, 3,6% vertikale Geschwindigkeit des Roboters, Rotationsgeschwindigkeit 27 min–1. Die Dicke der so aufgebrachten Haftvermittlerschicht beträgt vorzugsweise 0,03 bis 0,05 mm.In the next step, an in
1 stroke, 3.6% vertical speed of the robot, rotation speed 27 min -1 . The thickness of the adhesion promoter layer applied in this way is preferably 0.03 to 0.05 mm.
Fakultativ kann auf die Haftvermittlerschicht eine erosionsfeste Keramikzwischenschicht unter Verwendung eines Keramikpulvers wie z. B. Praxair 1484 aufgebracht werden.Optionally, an erosion-resistant ceramic interlayer using a ceramic powder such as. B. Praxair 1484 be applied.
Anschließend wird die erfindungsgemäße weiche Keramikschicht (Einlaufschicht) mit der Beschichtungseinheit
Als Beschichtungsmaterial wird Metco 2460 NS verwendet. Folgende Beschichtungsparameter werden verwendet:
2 mm Einzeleinspritzdüse, 9 Hübe, 1,8% vertikale Geschwindigkeit des Roboters, Rotationsgeschwindigkeit 33 min–1, Spritzwinkel 90°. Die Keramikschicht
2 mm single injector, 9 strokes, 1.8% vertical robot speed, rotational speed 33 min -1 , spray angle 90 °. The
Im nächsten Schritt werden die Dichtflächen
Die Kunststoffpfropfen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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