DE102020209085A1

DE102020209085A1 - Leitschaufelanordnung für eine strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102020209085A1
Application number: DE102020209085.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Stolle; Andreas Hölzel; Romain Mandard
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-01-27
Also published as: EP4185766A1; WO2022017563A1; US20230323777A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufelanordnung (20) für eine Strömungsmaschine (1), mit einer Leitschaufel (21) mit einem Leitschaufelblatt (31), und einer Leitschaufelaufnahme (22), in welcher die Leitschaufel (21) um eine Drehachse (28) verstellbar gelagert ist, wozu die Leitschaufel (21) zumindest ein Achselement (25) aufweist, das solchermaßen in die Leitschaufelaufnahme (22) eingesetzt ist, dass eine äußere Mantelfläche (25.1) des Achselements (25) einer inneren Mantelfläche (22.1) der Leitschaufelaufnahme (22) zugewandt ist, wobei auf das Leitschaufelblatt (31) zumindest bereichsweise eine Schutzbeschichtung (47) aufgebracht ist, und wobei auf zumindest eine der Mantelflächen (22.1,25.1) eine Schutzbeschichtung (37) aufgebracht ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufelanordnung für eine Strömungsmaschine.
Stand der Technik
Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Dabei entzieht die Turbine dem Heißgas anteilig auch Energie, um den Verdichter anzutreiben.
Der vorliegende Gegenstand kann insbesondere den Verdichterbereich betreffen, im Allgemeinen aber bspw. auch in der Turbine Anwendung finden. Ebenso soll die Bezugnahme auf das Flugtriebwerk ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet illustrieren, den Gegenstand aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Leitschaufelanordnung für eine Strömungsmaschine anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit der Leitschaufelanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese weist eine Leitschaufel auf, die zur Veränderung des Anströmwinkels über ein Achselement verstellbar in einer Leitschaufelaufnahme gelagert ist. In diesem Lager ist eine äußere Mantelfläche des Achselements einer inneren Mantelfläche der Leitschaufelaufnahme zugewandt. Ferner ist gemäß dem vorliegenden Gegenstand zumindest eine dieser Mantelflächen mit einer Schutzbeschichtung versehen und ist auch das Leitschaufelblatt der Leitschaufel zumindest bereichsweise mit einer Schutzbeschichtung versehen.
Die Schutzbeschichtung der zumindest einen Mantelfläche kann z. B. einem Verschleiß vorbeugen, insbesondere im Falle einer buchsenlosen Ausführung (ohne weiteres Lagerelement zwischen den Mantelflächen). In anderen Worten kann die Schutzbeschichtung im Lager eine direkte Anlage von Achselement und Leitschaufelaufnahme ermöglichen, was bspw. kleinere Baugrößen bzw. -formen erlaubt. Es kann z. B. der Leitschaufelkranz in absoluten Dimensionen kleiner gefasst und/oder kann ein kleineres Teilungsverhältnis gewählt werden, beides eröffnet gestalterischen Spielraum. Die Mantelfläche(n) kann bzw. können bereichsweise oder vollständig beschichtet sein.
Indem dabei zusätzlich auch das Leitschaufelblatt mit einer Schutzbeschichtung versehen wird, kann bspw. der Herstellungsaufwand begrenzt werden. Selbst im Falle eines mehrlagigen Schutzschichtsystems können die Schutzbeschichtungen z. B. mindestens eine Schicht gemeinsam haben, was das Aufbringen vereinfachen kann (hinsichtlich Durchsatz und z. B. auch einen etwaigen Abdeckungsaufwand betreffend, siehe unten im Detail). In funktionaler Hinsicht kann die Schutzbeschichtung des Schaufelblatts ebenfalls einem Verschleiß vorbeugen, bspw. einer Erosion. Da sowohl das Leitschaufelblatt als auch die zumindest eine Mantelfläche schutzbeschichtet ist, lassen sich in beiderlei Hinsicht die Standzeiten verlängern, also die Wartungsintervalle vorteilhafterweise aneinander anpassen.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe beziehen sich „axial“, „radial“ und „umlaufend“, sowie die zugehörigen Richtungen, auf die Längsachse der Strömungsmaschine und nicht auf die Dreh- bzw. Verstellachse der Leitschaufel.
Wie nachstehend im Einzelnen diskutiert, kann es sich bei dem Achselement bspw. um einen Zapfen oder eine Welle der Leitschaufel handeln. Über die Welle wird der Verstell-, also Anströmwinkel eingestellt. Der bezogen auf die Längsachse der Strömungsmaschine radial entgegengesetzte Zapfen dient der Aufhängung. Bevorzugt ist die Leitschaufelanordnung sowohl am Zapfen als auch an der Welle buchsenlos ausgeführt, liegen also der Zapfen und die Zapfen-Leitschaufelaufnahme direkt aneinander an und liegen die Welle und die Wellen-Leitschaufelaufnahme direkt aneinander an. Bevorzugt ist je Aufnahme zumindest eine der Mantelflächen mit einer Schutzbeschichtung versehen. Die nachstehend beschriebenen Varianten sind immer auch auf eine solche Ausführung zu lesen, auch wenn nur generisch auf die Leitschaufelaufnahme und das Achselement Bezug genommen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die zumindest eine Mantelfläche und das Leitschaufelblatt identisch schutzbeschichtet. Die Schutzbeschichtungen haben also bspw. denselben Aufbau und/oder dieselbe Materialzusammensetzung, und sie können insbesondere mit einer gleichen Dicke gefasst sein. Mit den identischen Schutzbeschichtungen kann z. B. eine weitergehende Vereinheitlichung in der Fertigung erreicht werden, die Schichten bzw. Schichtsysteme lassen sich insbesondere gleichzeitig aufbringen (was Aufwand und Zeit spart).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schutzbeschichtung der zumindest einen Mantelfläche sowohl auf das Achselement als auch auf die Leitschaufelaufnahme aufgebracht, sind also in anderen Worten beide Mantelflächen schutzbeschichtet. Alternativ kann bspw. auch nur die äußere Mantelfläche mit der Schutzbeschichtung versehen und kann die innere Mantelfläche unbeschichtet sein.
Unabhängig davon, ob die innere Mantelfläche der Leitschaufelaufnahme zusätzlich beschichtet ist oder nicht, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die gesamte Leitschaufel schutzbeschichtet sein. Dies kann die Herstellung weiter vereinfachen, es ist bspw. kein Abdecken etc. erforderlich. Alternativ zur Beschichtung des Achselements kann die Beschichtung der zumindest einen Mantelfläche im Allgemeinen jedoch auch allein durch eine Beschichtung der Leitschaufelaufnahme erreicht werden. Es kann also in anderen Worten ausschließlich die innere Mantelfläche beschichtet werden und kann die äußere Mantelfläche unbeschichtet bleiben.
Wie bereits erwähnt, kann eine jeweilige Schutzbeschichtung auch mehrlagig aufgebaut sein, also aus mindestens zwei aufeinandergelegten Schichten. Alternativ kann es sich aber auch um ein Einschichtsystem handeln, kann die Schutzbeschichtung also auch aus einer einzigen Schicht bestehen. Die nachstehend diskutierten Schichten sollen sowohl als Teil eines Mehrschichtsystems als auch als jeweiliges Einschichtsystem offenbart sein. Ferner sollen die nachstehend geschilderten Abscheidungsmöglichkeiten ausdrücklich auch hinsichtlich entsprechender Herstellungsverfahren offenbart sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist zumindest eine der Schutzbeschichtungen eine galvanische Schicht auf oder besteht sie aus einer galvanischen Schicht. Bei der galvanischen Schicht kann es sich bspw. um eine Chromschicht handeln, z. B. Hartchrom, oder um eine Nickelschicht. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine der Schutzbeschichtungen eine chemische Schicht sein, z. B. chemisch Nickel bzw. Nickelphosphor (NiP).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die wiederum sowohl hinsichtlich eines Mehrschicht- als auch eines Einschichtsystems offenbart sein soll, ist eine aus der Gasphase abgeschiedene Schicht vorgesehen. Die Schicht kann bspw. per chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), insbesondere auch plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PACVD), oder auch per physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht werden. Es ist bzw. sind bspw. auch (eine) PVD-/PACVD-Kohlenstoffschicht(en) möglich, z. B. metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht(en), a-C:H:Me. Durch das Dotieren mit Metall kann sich bspw. ein Verbund aus einer a-C:H Matrix mit Metallcarbiden bilden. Ein mögliches Beispiel ist eine Wolframcarbid-Kohlenstoffschicht (WC/C), ebenso ist eine Titancarbidschicht (Ti/C) bzw. Tantalcarbidschicht (Ta/C) oder DLC-Schicht (Diamond-Like-Carbon) möglich. Weiterhin möglich sind Hartstoffschichten, bspw. aus Titannitrid (TiN), Titancarbonnitrid (TiCN), Titan-Aluminium-Nitrid (TiAlN) oder Chromnitrid (CrN). Möglich ist auch ein Metallnitrid/Metall-Mehrlagensystem, bspw. unter der Marke ERCoat verfügbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die wiederum ein Mehrschicht- oder Einzelschichtsystem betreffen kann, ist eine thermisch gespritzte Schicht vorgesehen. Hierbei kann es sich bspw. um eine Wolframcarbidschicht handeln, bspw. WC/Co. Ferner ist bspw. auch eine Legierung möglich, z. B. eine Kobalt-Chrom-MolybdänLegierung (z. B. kommerziell verfügbar als Triballoy T-800).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Achselement ein Zapfen, der bezogen auf die Längsachse der Strömungsmaschine radial innen liegt. Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform ist das Achselement eine Welle, die bezogen auf die Längsachse der Strömungsmaschine radial außen liegt, und über welche der Leitschaufel der Verstellwinkel vorgegeben wird. Bevorzugt sind, wie eingangs erwähnt, sowohl der Zapfen als auch die Welle buchsenlos / ohne Lagerelement ausgeführt, ist also bezogen auf die Längsachse sowohl das Lager radial innen als auch das Lager radial außen jeweils mit zumindest einer beschichteten Mantelfläche ausgeführt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verdichtermodul mit einer vorliegend offenbarten Leitschaufelanordnung. Ferner betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, mit einem solchen Verdichtermodul bzw. einer vorliegend offenbarten Leitschaufelanordnung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer vorliegend offenbarten Leitschaufelanordnung bzw. des entsprechenden Verdichtermoduls / der Strömungsmaschine, wobei die Schutzbeschichtungen zumindest bereichsweise auf das Leitschaufelblatt und auf zumindest eine der Mantelflächen aufgebracht werden. Bezüglich möglicher Details wird ausdrücklich auf die vorstehende Offenbarung verwiesen, insbesondere hinsichtlich möglicher Beschichtungs- und Abscheidungsverfahren.
In bevorzugter Ausgestaltung werden das Achselement, also die äußere Mantelfläche, und das Leitschaufelblatt gleichzeitig schutzbeschichtet, also im selben Prozess. Dabei kann die Beschichtung des Leitschaufelblatts bereichsweise erfolgen (z. B. definiert an der Vorderkante durch entsprechende Abdeckung). Bevorzugt wird jedoch das Leitschaufelblatt im Gesamten beschichtet, insbesondere die gesamte Leitschaufel.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt

1 in schematischer Ansicht ein Mantelstromtriebwerk in einem Längsschnitt;
2 eine erfindungsgemäße Leitschaufelanordnung;
3 eine Detailansicht zu 2.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine Strömungsmaschine 1 im Schnitt, konkret ein Strahltriebwerk (Mantelstromtriebwerk). Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus mehreren Modulen aufgebaut, der Verdichter 1a vorliegend aus einem Niederdruck- 1aa und einem Hochdruckverdichtermodul 1ab. Jedes Verdichtermodul 1aa, 1ab ist seinerseits aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich in der Regel aus einem Laufschaufelkranz und einem darauffolgenden Leitschaufelkranz zusammen. Im Betrieb wird der Verdichter 1a bezogen auf eine Längsachse 2 axial von dem Verdichtergas 3, vorliegend Luft, durchströmt, und zwar in einem Verdichtergaskanal 4. Dabei wird das Verdichtergas 3 komprimiert, in der Brennkammer 1b wird dann Kerosin hinzugemischt und wird diese Mischung verbrannt
2 zeigt eine Leitschaufelanordnung 20 mit einer Leitschaufel 21 und Leitschaufelaufnahmen 22. Die Leitschaufel 21 weist ein Leitschaufelblatt 31 auf, dieses hat eine Vorderkante 31.1 und eine Hinterkante 31.2, sowie zwei Vorder- und Hinterkante 31.1,31.2 miteinander verbindende Seitenflächen 31.3,31.4. Ferner weist die Leitschaufel 21 zwei Achselemente 25 auf, nämlich radial innen einen Zapfen 26 und radial außen eine Welle 27. In dieser Lagerung ist die Leitschaufel 21 um eine Achse 28 verdrehbar, sodass ein Anströmwinkel 29 des Leitschaufelblatts 31 verändert werden kann (senkrecht zur Zeichenebene).
Die Leitschaufelaufnahme 22 radial innen kann bspw. in einem Montagering 35 ausgebildet sein, radial außen ist die Welle 27 in diesem Beispiel in zwei Montageringen 36 geführt. Wie aus 2 ersichtlich und anhand von 3 im Detail diskutiert, ist die Lagerung der Achselemente 25 sowohl radial innen als auch radial außen buchsenlos ausgeführt, sind die Achselemente 25 also jeweils direkt in die jeweilige Aufnahme 22 eingesetzt. Dies wird durch Schutzbeschichtungen 37 in den entsprechenden Bereichen erreicht.
3 zeigt eine solche Schutzbeschichtung 37 im Detail. Gezeigt ist ein Schnitt, die Schnittebene liegt parallel zur Drehachse 28 des Leitschaufelblatts 21. Bei dem Achselement 25 kann es sich um den Zapfen 26 oder die Welle 27 handeln. Eine äußere Mantelfläche 25.1 des Achselements 25 ist einer inneren Mantelfläche 22.1 der Aufnahme 22 zugewandt. In einem senkrecht zur Zeichenebene und horizontal liegenden Schnitt sind die beiden Mantelflächen 25.1,22.1 jeweils kreisförmig.
Die Figur illustriert die Schutzbeschichtung 37, vorliegend ist auf die äußere Mantelfläche 25.1 eine Schutzschicht 40 aufgebracht und ist auch auf die innere Mantelfläche 22.1 eine Schutzschicht 40 aufgebracht. Im Betrieb reiben die Bauteile über diese Schutzschichten 40 aneinander (vorliegend ist der Übersichtlichkeit halber dazwischen ein Spalt gezeigt), beugen die Schutzschichten also einem Verschleiß vor. Alternativ kann auch ausschließlich die innere Mantelfläche 22.1 mit der Schutzschicht 40 versehen sein oder kann auch ausschließlich die äußere Mantelfläche 25.1 mit der Schutzschicht 40 versehen sein.
Wie aus 2 ersichtlich, ist auch das Leitschaufelblatt 21 mit einer Schutzbeschichtung 47 versehen. Diese ist der Übersicht halber nur bereichsweise dargestellt, erstreckt sich im vorliegenden Beispiel aber über das gesamte Leitschaufelblatt 21. Die Schutzbeschichtung 47 kann, wie die Schutzbeschichtung 37, bspw. aus einer galvanischen Schicht 50, einer aus der Gasphase abgeschiedenen Schicht 51 und/oder einer thermisch gespritzten Schicht 52 aufgebaut sein. In einer Variante sind das Leitschaufelblatt 21 und die Achselemente 25 identisch schutzbeschichtet, insbesondere kann die gesamte Leitschaufel 21 schutzbeschichtet sein.
Bezugszeichenliste

1: Strömungsmaschine
1a: Verdichter
1aa: Niederdruckverdichtermodul
1ab: Hochdruckverdichtermodul
1b: Brennkammer
1c: Turbine
2: Längsachse
3: Verdichtergas
20: Leitschaufelanordnung
21: Leitschaufel
22: Leitschaufelaufnahmen
22.1: Innere Mantelfläche
25: Achselemente
25.1: Äußere Mantelfläche
26: Zapfen
27: Welle
28: Drehachse
29: Anströmwinkel
31: Leitschaufelblatt
31.1: Vorderkante
31.2: Hinterkante
31.3, 31.4: Seitenflächen
35, 36: Montageringe
37: Schutzbeschichtung (Mantelfläche)
40: Schutzschicht
47: Schutzbeschichtung (Leitschaufelblatt)
50: Galvanische Schicht
51: Abgeschiedene Schicht
52: Gespritzte Schicht

Claims

Leitschaufelanordnung (20) für eine Strömungsmaschine (1), mit einer Leitschaufel (21) mit einem Leitschaufelblatt (31), und einer Leitschaufelaufnahme (22), in welcher die Leitschaufel (21) um eine Drehachse (28) verstellbar gelagert ist, wozu die Leitschaufel (21) zumindest ein Achselement (25) aufweist, das solchermaßen in die Leitschaufelaufnahme (22) eingesetzt ist, dass eine äußere Mantelfläche (25.1) des Achselements (25) einer inneren Mantelfläche (22.1) der Leitschaufelaufnahme (22) zugewandt ist, wobei auf das Leitschaufelblatt (31) zumindest bereichsweise eine Schutzbeschichtung (47) aufgebracht ist, und wobei auf zumindest eine der Mantelflächen (22.1,25.1) eine Schutzbeschichtung (37) aufgebracht ist.
Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 1, bei welcher die Schutzbeschichtungen (37,47) des Leitschaufelblatts (31) und der zumindest einen Mantelfläche (22.1,25.1) identisch sind.
Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Schutzbeschichtung (37) der zumindest einen Mantelfläche (22.1,25.1) auf die innere und die äußere Mantelfläche (22.1,25.1) aufgebracht ist.
Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Schutzbeschichtung (37) der zumindest einen Mantelfläche (22.1,25.1) ausschließlich auf die innere Mantelfläche (22.1) aufgebracht ist.
Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 2 in Verbindung mit Anspruch 3 oder 4, bei welcher die gesamte Leitschaufel (21) schutzbeschichtet ist.
Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Schutzbeschichtung (37) der zumindest einen Mantelfläche (22.1,25.1) ausschließlich auf die äußere Mantelfläche (25.1) aufgebracht ist.
Leitschaufelanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher zumindest eine der Schutzbeschichtungen (37,47) eine galvanische oder chemische Schicht (50) aufweist.
Leitschaufelanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher zumindest eine der Schutzbeschichtungen (37,47) eine aus der Gasphase abgeschiedene Schicht (51) aufweist.
Leitschaufelanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher zumindest eine der Schutzbeschichtungen (37,47) eine thermisch gespritzte Schicht (52) aufweist.
Leitschaufelanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Achselement (25) ein Zapfen (26) ist, der bezogen auf eine Längsachse (2) der Strömungsmaschine (1) radial innen liegt.
Leitschaufelanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher das Achselement (25) eine Welle (27) ist, die bezogen auf eine Längsachse (2) der Strömungsmaschine (1) radial außen liegt.
Verdichtermodul (1aa,1ab) mit einer Leitschaufelanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Strömungsmaschine (1), insbesondere Flugtriebwerk, mit einem Verdichtermodul (1aa,1ab) nach Anspruch 12.
Verfahren zum Herstellen einer Leitschaufelanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, eines Verdichtermoduls (1aa,1ab) nach Anspruch 12 oder einer Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 13, wobei die Schutzbeschichtung (47) zumindest bereichsweise auf das Leitschaufelblatt (31) aufgebracht wird, und wobei die Schutzbeschichtung (37) auf zumindest eine der Mantelflächen (22.1,25.1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Schutzbeschichtung (37) auf die äußere Mantelfläche (25.1) aufgebracht wird, und zwar gleichzeitig mit dem Aufbringen der Schutzbeschichtung (47) auf das Leitschaufelblatt (31).