DE102011081323B3

DE102011081323B3 - Laufschaufel für eine Strömungsmaschine und Strömungsmaschine mit der Laufschaufel

Info

Publication number: DE102011081323B3
Application number: DE201110081323
Authority: DE
Inventors: Xin-Hai Li; Peter Carlsson
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: WO2013026870A1

Abstract

Eine Laufschaufel für eine Strömungsmaschine weist eine abreibbare Schaufelspitzenbeschichtung (8), welche an der Schaufelspitze (5) angeordnet ist und ein (8) ein Material aufweist, welches mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium(III)-oxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid ist. Eine Strömungsmaschine weist die Laufschaufel auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit mindestens einer Laufschaufel.
Eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, in Axialbauweise weist einen Verdichter und eine Turbine auf. Sowohl im Verdichter als auch in der Turbine kommen Schaufeln zum Einsatz, unterschieden werden dabei fest stehende Leitschaufeln und rotierende Laufschaufeln. Der Rotor der Gasturbine weist in dem Verdichter Verdichterlaufschaufelreihen und in der Turbine Turbinenlaufschaufelreihen auf. Zwischen den Verdichterlaufschaufelreihen und der Innenkontur des Gehäuses des Verdichters ist ein Radialspalt vorgesehen. In analoger Weise ist zwischen den Turbinenlaufschaufelreihen und der Innenkontur des Gehäuses der Turbine ebenfalls ein Radialspalt vorgesehen. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Strömungsmaschine zu erzielen ist es erstrebenswert, die Radialspalte zu allen Betriebszeitpunkten möglichst klein zu halten.
Beim Anfahren und Abfahren der Gasturbine verändern sich jedoch die Radialspalte über die Zeit. Außerdem verändern sich die Radialspalte beim Wechsel vom Teillastbetrieb zum Volllastbetrieb der Gasturbine. Die zeitliche Veränderung der Radialspalte ist die Folge von unterschiedlichem thermischem Trägheitsverhalten der einzelnen Komponenten des Verdichters und der Turbine, insbesondere des Rotors, der Verdichterlaufschaufelreihen, der Turbinenlaufschaufelreihen, des Verdichtergehäuses und des Turbinengehäuses. Außerdem wird die zeitliche Veränderung der Radialspalte verursacht von der Fliehkraftdehnung der Laufschaufelreihen, der Querkontraktion des Rotors, einem eventuellen Spiel im Axiallager des Rotors, einer eventuell auftretenden Ovalisierung des Gehäuses infolge von montagebedingter Vorspannung und ungleichmäßiger Erwärmung des Gehäuses.
Um die Radialspalte abzudichten, kommen verschiedene Methoden in Frage, insbesondere kann das Gehäuse an seiner Innenseite mit einer abreibbaren Schicht versehen werden, die auch als thermische Barriere für das Gehäuse wirken kann. Jedoch können nach dem Betrieb der Gasturbine in der Turbine Abreibungen und Oxidationsschäden durch heißes Gas sowohl an den Schaufelspitzen als auch am Gehäuse festgestellt werden. Die Abreibungen vergrößern den Radialspalt, wodurch der Wirkungsgrad der Gasturbine reduziert ist.
In DE 695 09 334 T2 ist eine Schaufel beschrieben, wobei die Schaufelspitze der Schaufel mit einer Lage eines Oxids auf Zirkoniumbasis beschichtet ist, wobei die Lage eine Mehrzahl an Makrosprüngen aufweist. Aus DE 602 24 691 T2 ist eine Hybridstruktur zur Verwendung bei Hochtemperaturanwendungen bekannt, welche eine keramische Isolierschicht, die durch eine Säulenstruktur charakterisiert ist und ein Verhältnis Leitfähigkeit/Dicke von kleiner als 2000 W/m²K aufweist, und eine mit der Isolierschicht verbundenen strukturellen keramischen Schicht aufweist. Es ist in US 2008/0219835 A1 eine Gasturbine beschrieben, die eine Schaufel, die an ihrer radial innen liegenden Spitze mit einem zerreibbaren Material beschichtet ist, und eine zu der Spitze benachbart angeordnete Dichtung mit einer abreibenden Beschichtung aufweist. In DE 699 26 838 T2 ist eine Luftdichtung beschrieben, die ein Substrat, eine über dem Substrat gebildete Lage aus Aluminiumoxid, ein auf der Aluminiumoxidlage aufgebrachtes erosionsbeständiges Keramikmaterial und ein auf dem erosionsbeständigen Keramikmaterial aufgebrachtes abradierbaren Keramikmaterial aufweist, wobei das abradierbare und das erosionbeständige Keramikmaterial unterschiedliche Zusammensetzungen haben. Aus DE 29 37 463 A1 ist eine Dichtung für ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, wobei die Dichtung am Gehäuse des Triebwerks den Schaufelspitzen gegenüberliegende Dichtflächen aufweist, die aus einer amphoterischen hochwarmfesten Oxidmatrix, einem Phosphatbindemittel, einem Stabilisierer und einem Füllstoff gebildet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Laufschaufel und eine Strömungsmaschine zu schaffen, die die Laufschaufel aufweist und einen hohen Wirkungsgrad bei einer langen Lebensdauer der Laufschaufel hat.
Die Aufgabe wird mit einer Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist eine Laufschaufel mit einer abreibbaren Schaufelspitzenbeschichtung auf, welche an der Schaufelspitze angeordnet ist und ein Material aufweist, welches mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium(III)-oxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid ist.
Dadurch, dass die Schaufelspitzenbeschichtung abreibbar ist, ist es ermöglicht, dass lediglich ein verminderter Radialspalt zwischen der Schaufelspitze und der Radialinnenseite des Gehäuses der Strömungsmaschine vorgehalten zu werden braucht. Mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium(III)-oxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid hat vorteilhaft ein gutes Abriebverhalten, was bedeutet, dass der Materialabtrag bei einem Anstreifen der Schaufelspitze an das Gehäuse gering ist und der Radialspalt mit einer kleinen Erstreckung aufrecht erhalten werden kann. Durch den kleinen Radialspalt ergibt sich vorteilhaft ein hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine. Ferner wirkt die Schaufelspitzenbeschichtung als thermische Isolierung für die Laufschaufel, wodurch sich vorteilhaft eine lange Lebensdauer der Laufschaufel ergibt.
Das Material ist bevorzugt mit 6 bis 8 Massenprozent Yttrium(III)-oxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid. Bevorzugtermaßen ist zwischen der Schaufelspitze und der Schaufelspitzenbeschichtung eine metallische Haftvermittlerschicht angeordnet, mit der die Schaufelspitzenbeschichtung an der Schaufelspitze anhaftet. Dadurch, dass die Schaufelspitzenbeschichtung mit einer metallischen Haftvermittlerschicht an die Schaufelspitze angehaftet ist, ergibt sich eine gute Anbindung der Schaufelspitzenbeschichtung an die Schaufelspitze. Durch die gute Anbindung wird ein Abblättern oder ein Absplittern der Schaufelspitzenbeschichtung unterbunden, wodurch vorteilhaft die Lebensdauer der Schaufelspitzenbeschichtung im Betrieb der Strömungsmaschine lang ist.
Die Haftvermittlerschicht ist bevorzugt aus einem derartigen Material hergestellt, dass die Laufschaufel gegen Oxidation und/oder Korrosion geschützt ist. Bevorzugtermaßen erstreckt sich die Schaufelspitzenbeschichtung teilweise oder vollständig über das Schaufelblatt der Laufschaufel.
Insbesondere die Laufschaufeln einer Turbinenlaufschaufelreihe einer Gasturbine, die stromabwärts der Brennkammer der Gasturbine angeordnet sind, sind einem heißen Gas mit einer Temperatur von über 1000°C ausgesetzt. Dadurch, dass die Haftvermittlerschicht aus dem Material hergestellt ist, mit dem die Schaufelspitze gegen Oxidation und/oder Korrosion geschützt ist, haben die Laufschaufeln selbst bei dieser starken thermischen Beanspruchung vorteilhaft ein lange Lebensdauer. Die Schaufelspitzenbeschichtung wirkt als thermische Isolierung für die Laufschaufel, woraus sich eine geringere Wärmeausdehnung der Schaufel ergibt, wodurch der Radialspalt lediglich mit einer geringen Erstreckung vorgesehen zu werden braucht und sich damit vorteilhaft ein hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine ergibt.
Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist die Laufschaufel auf, wobei die Laufschaufel in dem Gehäuse der Strömungsmaschine angeordnet ist und zwischen der Schaufelspitze und der Radialinnenseite des Gehäuses der Radialspalt ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist an der Schaufelspitze unmittelbar benachbart an der Radialinnenseite des Gehäuses eine abreibbare Abrasionsschicht angeordnet, welche mit 20 bis 50 Massenprozent, insbesondere 32 bis 34 Massenprozent, Ytterbium(III)-oxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid aufweist. Mit 20 bis 50 Massenprozent Ytterbium(III)-oxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid hat ein gutes Abriebverhalten mit mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium(III)-oxid stabilisiertem Zirkonium(IV)-oxid. Durch das gute Abriebverhalten ergibt sich bei einem Kontakt von der Schaufelspitzenbeschichtung und der Abrasionsschicht im Betrieb der Strömungsmaschine ein geringer Materialabtrag von sowohl der Schaufelspitzenbeschichtung als auch von der Abrasionsschicht. Durch den geringen Materialabtrag ist der Radialspalt schmal ausgebildet, wodurch sich vorteilhaft der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine als hoch ergibt. Ferner wirkt die Abrasionsschicht als thermische Isolierung für das Gehäuse, wodurch sich vorteilhaft ein lange Lebensdauer für das Gehäuse ergibt. Durch die thermische Isolationswirkung der Abrasionsschicht ergibt sich eine geringere Wärmeausdehnung des Gehäuses, wodurch der Radialspalt klein gehalten werden kann und vorteilhaft der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine hoch ist. Des Weiteren ergeben sich durch die thermische Isolationswirkung der Abrasionsschicht vorteilhaft reduzierte thermische Verluste durch Wärmeleitung.
Die Radialerstreckungen der Schaufelspitzenbeschichtung und der Haftvermittlerschicht sind bevorzugt so gewählt, dass beim Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die Schaufelspitzenbeschichtung vollständig abgetragen ist, so dass die Haftvermittlerschicht an der Schaufelspitze freigelegt ist. Dadurch, dass die Haftvermittlerschicht die Schaufelspitze auch nach Erreichen des maximal zulässigen Abriebs bedeckt, ist die Schaufelspitze auch nach Erreichen des maximal zulässigen Abriebs vorteilhaft vor Oxidation und/oder Korrosion geschützt.
Weiterhin ist die Radialerstreckung der Abrasionsschicht bevorzugt so gewählt, dass beim Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die der Schaufelspitze unmittelbar benachbarte Radialinnenseite des Gehäuses von der Abrasionsschicht vollständig bedeckt ist. Dadurch, dass die Abrasionsschicht nach Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die unmittelbar benachbarte Radialinnenseite des Gehäuses bedeckt, ist dieser Bereich durch die Abrasionsschicht vorteilhaft thermisch isoliert.
Die Radialinnenseite des Gehäuses ist bevorzugt von einer Mehrzahl an Hitzeschildsegmenten gebildet. Bevorzugtermaßen sind die Laufschaufeln in der ersten und/oder zweiten Turbinenlaufschaufelreihe eingebaut. Des Weiteren ist die Abrasionsschicht bevorzugt unmittelbar benachbart an den Schaufelspitzen der ersten und zweiten Turbinenlaufschaufelreihen, an der Radialinnenseite des Gehäuses angeordnet. Weil die Wärmeausdehnung der Laufschaufeln und die Belastung durch Oxidation und Korrosion in der ersten und zweiten Turbinenlaufschaufelreihe am höchsten ist, können die erfindungsgemäßen Laufschaufeln und die Abrasionsschicht vorteilhaft in diesen Turbinenlaufschaufelreihen vorgesehen werden. Die Strömungsmaschine ist bevorzugt eine Axialturbine einer Gasturbine.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laufschaufel und der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt der Strömungsmaschine mit der Laufschaufel vor Beginn des Betriebs der Strömungsmaschine und
2 den Längsschnitt der Strömungsmaschine aus 1 nach Beginn des Betriebes und
3 den Längsschnitt der Strömungsmaschine nach einer gewissen Betriebsdauer der Strömungsmaschine unter Volllast.
Wie es aus 1 bis 3 ersichtlich ist, weist eine Laufschaufel 1 einer Strömungsmaschine einen Schaufelfuß 4, eine Schaufelfußplatte 3, ein Schaufelblatt 2 und eine Schaufelspitze 5 auf. Der Schaufelfuß 4 hat im Längsschnitt ein Tannenbaumprofil, mit welchem die Laufschaufel 1 in einem Rotor der Strömungsmaschine befestigt werden kann. An seiner radialen Außenseite weist der Schaufelfuß 4 eine flache Schaufelfußplatte 3 auf. Radial außenseitig an der Schaufelfußplatte 3 sind das Schaufelblatt 2 und die Schaufelspitze 5 angeordnet, wobei die Schaufelspitze 5 der radial außenseitig gerichtete Bereich der Laufschaufel 1 ist, während das Schaufelblatt 2 der verbleibende Bereich radial außenseitig der Schaufelfußplatte 3 ist. Auf der Schaufelspitze 5 ist eine Schaufelspitzenbeschichtung 8 angebracht, wobei zwischen der Schaufelspitzenbeschichtung 8 und der Schaufelspitze 5 eine Haftvermittlerschicht 9 eingebracht ist. Radial außenseitig zu der Laufschaufel 1 ist ein Gehäuse 12 angeordnet, an dessen radialer Innenseite, in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Schaufelspitze 5 ein Hitzeschildsegment 6 angebracht ist, dessen Axialerstreckung länger als die Axialerstreckung der Schaufelspitze 5 ist. An der Radialinnenseite des Hitzeschildsegments 6 ist eine Abrasionsschicht 7 mit einer Radialinnenseite 11 angebracht, an die die Laufschaufel 1 im Betrieb der Strömungsmaschine anschleifen kann. Zwischen der Schaufelspitzenbeschichtung 8 und der Abrasionsschicht 7 ist ein Radialspalt 10 ausgebildet.
Wie es aus 1 ersichtlich ist, ist vor dem Beginn des Betriebs der Strömungsmaschine der Radialspalt 10 groß und die Abrasionsschicht 7 hat über die ganze Axiallänge die gleiche Dicke. Wie es aus 2 ersichtlich ist, dehnt sich nach dem Beginn des Betriebs die Laufschaufel 1 in Radialrichtung aus, so dass die Schaufelspitzenbeschichtung 8 an die Radialinnenseite 11 der Abrasionsschicht 7 anschleift. Dadurch wird Material von sowohl der Schaufelspitzenbeschichtung 8 als auch der von Abrasionsschicht 7 abgetragen. Dadurch verringert sich die Dicke der Schaufelspitzenbeschichtung 8 und die Dicke der der Abrasionsschicht 7 im Reibungsbereich im Vergleich zu 1. Der Radialspalt 10 ist im Vergleich zu 1 schmaler. Wie es aus 3 ersichtlich ist, ist die Schaufelspitzenbeschichtung 8 nach einer gewissen Zeit im Betrieb unter Volllast vollständig abgetragen. Die Haftvermittlerschicht 9 ist freigelegt und der Radialspalt 10 ist ähnlich schmal wie in 2.

Claims

Strömungsmaschine mit mindestens einer Laufschaufel (1), wobei die Laufschaufel (1) in einem Gehäuse (12) der Strömungsmaschine angeordnet ist und zwischen der Schaufelspitze (5) und der Radialinnenseite (11) des Gehäuses (12) ein Radialspalt (10) ausgebildet ist, wobei die Laufschaufel (1) eine abreibbare Schaufelspitzenbeschichtung (8) aufweist, welche an der Schaufelspitze (5) angeordnet ist und ein Material aufweist, welches mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium(III)-oxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid ist, wobei an der Schaufelspitze (5) unmittelbar benachbart an der Radialinnenseite des Gehäuses eine abreibbare Abrasionsschicht (7) angeordnet ist, welche mit 20 bis 50 Massenprozent Ytterbium(III)-oxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid aufweist.
Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1, wobei das Material der abreibbaren Schaufelspitzenbeschichtung (8) mit 6 bis 8 Massenprozent Yttrium(III)-oxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid ist.
Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der Schaufelspitze (5) und der Schaufelspitzenbeschichtung (8) eine metallische Haftvermittlerschicht (9) angeordnet ist, mit der die Schaufelspitzenbeschichtung (8) an der Schaufelspitze (5) anhaftet.
Strömungsmachine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Haftvermittlerschicht (9) aus einem derartigen Material hergestellt ist, dass die Laufschaufel (1) gegen Oxidation und/oder Korrosion geschützt ist.
Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Schaufelspitzenbeschichtung (8) teilweise über das Schaufelblatt (2) der Laufschaufel (1) erstreckt.
Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Schaufelspitzenbeschichtung (8) vollständig über das Schaufelblatt (2) der Laufschaufel (1) erstreckt.
Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Abrasions-schicht (7) mit 32 bis 34 Massenprozent Ytterbium(III)-oxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid aufweist.
Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Radialerstreckungen der Schaufelspitzenbeschichtung (8) und der Haftvermittlerschicht (9) so gewählt sind, dass beim Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die Schaufelspitzenbeschichtung (8) vollständig abgetragen ist, so dass die Haftvermittlerschicht (9) an der Schaufelspitze (5) freigelegt ist.
Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Radialerstreckung der Abrasionsschicht (7) so gewählt ist, dass beim Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die der Schaufelspitze (5) unmittelbar benachbarte Radialinnenseite (11) des Gehäuses von der Abrasionsschicht (7) vollständig bedeckt ist.
Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Radialinnenseite (11) des Gehäuses von einer Mehrzahl an Hitzeschildsegmenten (6) gebildet ist.
Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Laufschaufeln (1) in der ersten und/oder zweiten Turbinenlaufschaufelreihe eingebaut sind.
Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei Strömungsmaschine eine Axialturbine einer Gasturbine ist.