DE102016203388A1

DE102016203388A1 - Schichtsystem mit Beschichtungsaussparung an Kühlluftlöchern von Turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE102016203388A1
Application number: DE102016203388.3A
Authority: DE
Inventors: Fathi Ahmad; Christian Menke; Christian Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-09-07
Also published as: WO2017148916A1

Abstract

Durch eine spezielle Aussparung um Kühlluftlöcher (11‘, 11‘‘, ...), bei dem eine umhüllende Aussparung (13‘, 13‘‘) und eine streifenförmige Vertiefung (8), die die umhüllenden Aussparungen miteinander verbindet, vorhanden ist, wird das Spallationsverhalten einer TBC deutlich verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft die Aussparung einer Beschichtung um Kühlluftlöcher bei Turbinenschaufeln.
Die Leit- und Laufschaufeln der ersten Turbinenstufen von Gasturbinen sind aufgrund der hohen thermischen Belastung in der Regel mit einer thermischen Schutzschicht (Thermal Barrier Coating = TBC) versehen. Nach dem Beschichten der Turbinenschaufel mit der TBC müssen die vormals eingebrachten Kühlluftbohrungen erneut geöffnet bzw. erstmalig gebohrt werden. Durch das angewendete Bohrverfahren ist es bisher unvermeidlich, dass in die Randbereiche der jeweiligen Öffnungen Mikrorisse initiiert werden. Diese Mikrorisse können der Startpunkt für TBC-Abplatzungen sein und sollten somit nach Abschluss der Schaufelfertigung möglichst gar nicht mehr vorhanden sein.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein System aufzuzeigen, das die Abplatzung der TBC um die Kühlluftlöcher herum verhindert.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen die 1, 2 Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Als Erfindung soll hier ein optimales Muster für eine TBC-Aussparung aufgezeigt werden. Das Ziel ist weiterhin, Mikrorisse in der TBC um Kühlluftbohrungen gänzlich zu vermeiden.
Das Muster kann sowohl vor dem Aufbringen der TBC mittels einer Markierung aufgebracht werden, sodass die Schaufel an diesen Stellen erst gar nicht mit einer TBC beschichtet wird oder es wird nachträglich mit einer Negativmaske beklebt und anschließend mechanisch bearbeitet, sodass die TBC dann nur an diesen Stellen wieder abgetragen wird, z.B. durch Sandstrahlen.
Die optimale Aussparung besteht aus folgenden geometrischen Formen:

1. Kreisflächen oder Ovalflächen um die Kühlluftlöcher;
2. streifenförmige Quernut axial hinter diesen Flächen, die alle Kreisflächen oder Ovalflächen einer Kühlluftreihe miteinander verbindet.

Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die 1 zeigt eine Aufsicht auf ein Schaufelblatt 4 eines Turbinenbauteils und einer Turbinenschaufel 1 – hier als beispielhaftes Bauteil –.
Das Schaufelblatt 4 weist an der Anströmkante sowie auf der Saug- bzw. Druckseite Kühlluftlöcher 11‘, 11‘‘, ... auf, die insbesondere in mehreren Kühlluftreihen 10‘, 10‘‘, ... angeordnet sind.
Außerdem weist die Turbinenschaufel 1 eine äußere Schicht 9 auf einem Substrat auf, die auf dem vorzugsweise verwendeten nickel- oder kobaltbasierten Substrat aufgebracht ist und einen metallischen Haftvermittlerschicht und/oder eine äußere keramischen Schicht 9 aufweist.
Um einen Teil 7 (gestrichelt angedeutet) der Kühlluftlöcher 11‘, 11‘‘, ..., also nicht alle Kühlluftlöcher 11‘, 11‘‘, ... betreffend, ist eine Aussparung 12 der äußeren Schicht 9 vorhanden.
2 zeigt eine vergrößerte Sicht auf diese Kühlluftlöcher 11‘, 11‘‘, ... gemäß 1. Um diese Kühlluftlöcher 11‘, 11‘‘, ... herum ist jeweils eine kreisförmige oder ovalförmige Aussparung 13‘, 13‘‘, ... vorhanden, die sich um das jeweilige gesamte Kühlluftloch 11‘, 11‘‘, ... erstreckt.
Weiterhin ist eine streifenförmige Vertiefung 8 vorhanden, die sich an die Aussparungen 13‘, 13‘‘ der Kühlluftlöcher 11‘, 11‘‘, ... direkt anschließt und die durchgehende Aussparung 12 bildet.
Die streifenförmige Vertiefung 8 ist vorzugsweise rechteckig ausgebildet.
In dieser streifenförmigen Vertiefung 8 sind keine Kühlluftlöcher vorhanden. Die streifenförmige Vertiefung 8 erstreckt sich vorzugsweise nur entlang der Kühlluftlöcher 11‘, 11‘‘, ..., die die Aussparungen 13‘, 13‘‘, ... aufweisen, aber nicht darüber hinaus und ist strömungstechnisch hinter den Kühlluftlöchern 11‘, 11‘‘, ... angeordnet.
Dabei ist das Muster nur in einem gewissen Bereich der Kühlluftlöcher eingebracht (eine halbe Kühlluftreihe). Die Aussparungen können auch auf größere Teile der Schaufel angewendet werden.
Die Aussparung 13‘, 13‘‘, ...; 8 kann durch nachträgliche Bearbeitung entstehen oder beim Beschichten durch entsprechende Abschaffung erneut erzeugt werden.
Die Vorteile sind:

• das eingebrachte Aussparungsmuster birgt das Potential, die TBC-Abplatzungen im laufenden Betrieb der Turbinenschaufel zu verringern oder sogar gänzlich zu vermeiden. Je nach Grad der Auswirkung auf das Abplatzungsverhalten können dadurch ungeplante Stillstände sowie ungeplante Schaufelaustäusche verringert werden. Das hier aufgezeigte Muster birgt eine höhere thermische Schutzfunktion,
• die Abtragung um die Kühlluftbohrungen entfernt die beim Bohren unvermeidlich eingebrachten Mikrorisse. Die alle kreisförmigen Aussparrungen verbindende Quernut reduziert zusätzlich die Neigung zum Abplatzen der TBC, da sie eine Rissfortpflanzungsbarriere darstellt,
• Kosteneinsparungen beim Service der Gasturbinen durch Steigerung der Zuverlässigkeit der Gasturbine und damit Einhaltung von Garantien (Verfügbarkeit) sowie gesteigerter Kundennutzen und damit stärke Kundenbindung / Potential auf neue Aufträge.

Claims

Schichtsystem (1), zumindest aufweisend: ein Substrat mit zumindest einer äußeren Schicht (9), insbesondere mit einer äußeren keramischen Schicht (9), wobei das Schichtsystem (1) mehrere Kühlluftlöcher (11‘, 11‘‘, ...) aufweist, die insbesondere in zumindest einer Kühlluftreihe (10‘, 10‘‘, ...) angeordnet und wobei um mehrere Kühlluftlöcher (11‘, 11‘‘, ...) zumindest eine gemeinsame, durchgehende Aussparung (12) in der Schicht (9) vorhanden ist, wobei Aussparung (12) bedeutet, dass dort zumindest keine äußere Schicht (9) vorhanden ist, wobei die Aussparung (12) gebildet ist durch eine streifenförmige Aussparung (8) und kreisförmige oder ovalförmige Aussparungen (13‘, 13‘‘, ...) um die Kühlluftlöcher (11,‘, 11‘‘, ...), die mit der streifenförmigen Aussparung (8) verbunden sind, die (8) ebenfalls keine Schicht (9) aufweist.
Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die äußere Schicht (9) eine äußere keramische Schicht (9) darstellt.
Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die äußere keramische Schicht (9) eine teilstabilisierte Zirkonoxidschicht aufweist.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem unter der äußeren keramischen Schicht (9) eine metallische Haftvermittlerschicht, insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY vorhanden ist.
Schichtsystem nach Anspruch 4, bei dem in den Aussparungen (13‘, 13‘‘, ...; 8; 12) keine äußere keramische Schicht (9), aber eine metallische Haftvermittlerbeschichtung vorhanden ist.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem die Aussparung (12) nur einen Teil von Kühlluftlöchern (11‘, 11‘‘, ...) einer Kühlluftreihe (10‘, 10‘‘, ...) einer Turbinenschaufel betrifft.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem sich die streifenförmige Vertiefung (8) nur entlang der Kühlluftlöcher (11‘, 11‘‘, ...) erstreckt, die Aussparungen (13‘, 13‘‘, ...) aufweisen.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem die streifenförmige Aussparung (8) strömungstechnisch hinter den Kühlluftlöchern (11‘, 11‘‘, ...) angeordnet ist.
Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem die streifenförmige Aussparung (8) rechteckig ausgebildet ist.