DE2821118A1 - Verfahren zum allseitigen bedampfen von gekruemmten turbinenschaufeln - Google Patents
Verfahren zum allseitigen bedampfen von gekruemmten turbinenschaufelnInfo
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Description
2521118
17. März 1978
78507
78507
LEYBOLD-HERAEUS GmbH & Co. KG
Bonner Straße 504
Bonner Straße 504
5000 Köln - 51
Verfahren zum allseitigen Bedampfen
von gekrümmten Turbinenschaufeln "
von gekrümmten Turbinenschaufeln "
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum allseitigen Bedampfen von gekrümmten Turbinenschaufeln mit Anström- und
Abströmkanten sowie mit einer konkaven und einer konvexen
Schaufelflanke mit korrosions- und oxydationsbeständigen
Legierungsschichten im Vakuum bei gleichzeitiger Drehung der Turbinenschaufeln im Dampfstrom oberhalb einer Verdampferquelle um ihre Längsachse.
Abströmkanten sowie mit einer konkaven und einer konvexen
Schaufelflanke mit korrosions- und oxydationsbeständigen
Legierungsschichten im Vakuum bei gleichzeitiger Drehung der Turbinenschaufeln im Dampfstrom oberhalb einer Verdampferquelle um ihre Längsachse.
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Bei Turbinenschaufeln unterscheidet man Laufschaufeln und
Leitschaufeln. Die Laufschaufeln bestehen im allgemeinen
aus einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß, wobei der
Schaufelfuß auf der dem Schaufelblatt zugekehrten Seite' eine im wesentlichen rechteckige Fläche besitzt, die zum
Schaufelblatt praktisch senkrecht verläuft. Bei den Leitschaufeln
ist in aller Regel das dem Schaufelfuß abgekehrte Ende mit einer dem Schaufelfuß analogen Verbreiterung
versehen, wobei sich nach dem Einbau aller Schaufeln die Oberflächen der Schaufelfüsse und der gegenüberliegenden
Verbreiterungen zu einem Zylinderring ergänzen. Unter der "Längsachse" derartiger Schaufeln ist
eine gedachte Achse zu verstehen, die zu der Erzeugenden des Schaufelblattes parallel oder im wesentlichen parallel
verläuft. Die Längsachse kann während der Schaufeldrehung im Dampfstrom mit der Drehachse des betreffenden Substrathalters
zusammenfallen, sie kann jedoch von dieser
auch einen Abstand aufweisen, d.h. die Schaufel rotiert um ihre Längsachse, wobei die Längsachse ihrerseits um
die Drehachse des Substrathalters rotiert.
Es ist bekannt, sowohl rotationssymmetrische als auch kompliziert geformte Teile im Dampfstrom um eine oder
mehrere Achsen rotieren zu lassen, um die Substrate allseitig mit einer kondensierten Materialschicht zu überziehen.
Insbesondere bei komplizierten zusammengesetzten
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Rotationsbewegungen, wie beispielsweise bei den bekannten
Evolventenbewegungen baut man auf Zufälligkeitsgesetze,
durch die die gesamte, dem Dampf ausgesetzte Oberfläche wenigstens einigermaßen gleichmäßig mit dem verdampften
Material überzogen wird. Die relative Gleichmäßigkeit des Niederschlags auf den Substraten wird'dabei durch den
diffusen Charakter des Dampfstroms sowie gegebenenfalls durch die Kollision von Dampfpartikelη mit Gasmolekülen
der Restgasatmosphäre begünstigt. Die Ausnutzung einer Zufäl1igkeitsvertei1ung reicht jedoch bei der Bedampfung
von Präzisionsteilen wie Turbinenschaufeln nicht mehr
aus. Insbesondere bei Gasturbinen wird eine hohe Temperatur am Ausgang der Brennkammer bzw. am Eingang der Turbinenstufen
angestrebt, um den Wirkungsgrad zu verbessern und damit den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu senken.
Diese Temperatursteigerung hat zu einem differenzierten Aufbau insbesondere der Laufschaufeln geführt. Deren
Kern, der während des Bedampfens das Substrat bildet, besteht in der Regel aus hochwarmfesten Stahl 1egierungen
bekannter Zusammensetzung. Diese Legierungen sind jedoch im gewünschten Temperaturbereich nicht ausreichend
korrosionsfest und oxydationsfest. Die Herstellung der gesamten Turbinenschaufel aus entsprechend resistentem
Material verbietet sich aus Festigkeitsgründen. Infolgedessen
ist man dazu übergegangen, Turbinenschaufeln mit korrosions- und oxydationsbeständigen Oberflächenschichten zu überziehen,
um die Standzeit und den Sicherheitsfaktor ent-
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sprechend zu erhöhen. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß nicht zuletzt von der Qualität der Turbinenschaufeln das
Leben von Hunderten von Menschen abhängig ist. Die Problematik sowie Verfahren zum Oberziehen von Gasturbinenschaufeln
mit entsprechenden Oberflächenschichten sind in dem Aufsatz
der CHROMALLOY AMERICAN CORPORATION, New York, USA "High Temperature Resistant Coating for Super-Alloy" von
Richard P. Seelig und Dr. Richard J. Stueber beschrieben. Dabei ist jedoch offengelassen worden, auf welche Weise
ein gleichmäßig dicker, dichter, spalten- und porenfreier, haftfester Oberzug auf der gesamten Oberfläche der Schaufeln
erhalten werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aufdampfverfahren
der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, durch das auf der gesamten Oberfläche bzw. auf dem Gesamtumfang
von Turbinenschaufeln ein gleichmäßig dicker, dichter, spalten- und porenfreier sowie haftfester Oberzug erzeugt
werden kann.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die
Verweilzeit eines jeden Flächenelements oberhalb der Verdampferquelle
während einer Drehung von 360 Grad in der Weise verändert wird, daß sie bei einer Ausrichtung der
Anström- und Abströmkanten auf die Verdampferquelle am
kleinsten und bei einer Ausrichtung der konkaven und der konvexen Flanken auf die Verdampferquelle am größten ist.
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Ausgedehnte Versuche haben ergeben, daß eine sogenannte streifende Aufdampfung für die Schichtausbildung besonders
schädlich ist. Diese streifende Aufdampfung findet dann statt, wenn die einzelnen Dampfpartikel unter einem sehr
spitzen Winkel, d.h. nahezu parallel auf die Schaufelflanke auftreffen. Es wurde beobachtet, daß hierbei in
_3 den Schichten, die eine Dicke zwischen 100 und 400 χ 10 mm
haben können, Spalten bzw. Trennfugen entstehen, welche parallel oder unter einem spitzen Winkel zu der darunter
befindlichen Substratoberfläche verlaufen. Hierdurch
wird die Wirkung einer haftfesten Verbindung zwischen
dem Substrat und der Oberflächenschicht, die beispielsweise
durch intermetallische Diffusion bewirkt werden kann, wieder in Frage gestellt. Die betreffenden Oberflächenschichten
sind weder chemisch noch mechanisch ausreichend resistent. Die drei besonders gefährlichen
Stellungen sind in Figur 1 grafisch dargestellt. Die in der Schicht entstandenen Fehler können auch durch eine
mechanische Nachbehandlung der Schaufeln, z.B. durch Glasperlenstrahlen nicht mehr geschlossen werden. Die mit
derartigen Fehlern versehenen Schaufeln sind unbrauchbar.
Vereinfacht ausgedrückt besteht die Erfindung darin, die kritischen Positionen während des Aufdampfens möglichst
rasch zu durchlaufen, während die Verweilzeit von Oberflächenelementen
der Schaufeln in den unkritischen Positionen oberhalb des Verdampfertiegels entsprechend ausgedehnt wird.
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Die Unterschiede in den einzelnen Verwei1zeiten können durch
Ausprobieren gefunden werden; einige allgemeine Anweisungen finden sich in der Detailbeschreibung.
Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme kann nicht nur
die gestellte Aufgabe voll befriedigend gelöst werden, d.h. es entstehen Oberflächenschichten mit einer außerordentlich
gleichmäßigen Schichtdickenverteilung, die ohne Fehlstellen,
insbesondere ohne Spalten und Trennfugen sind. Hinzu kommt eine optimale Ausnutzung des teueren Verdampfungsmaterials
in Verbindung mit einer geringeren Verunreinigung der Innenflächen der Aufdampfanlage, die unvermeidbar gleichfalls
dem Dampfstrom ausgesetzt sind.
Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, die Verweilzeit etwa im mittleren Bereich der konkaven Flanke gegenüber der
Verweilzeit im mittleren Bereich der konvexen Flanke mindestens um den Faktor 2, vorzugsweise mindestens um den Faktor 4
größer zu wählen: Die Verweilzeit wird dabei zweckmäßig dann am längsten gehalten, wenn die Winkelhalbierende
zwischen Anströmwinkel und Abströmwinkel im wesentlichen senkrecht auf die Verdampferquelle ausgerichtet ist. Eine
solche Position ist in Figur 2 dargestellt.
Zweckmäßig wird die Verweilzeit dann im Bereich der kleinsten Verwei1zeiten gehalten, wenn der Teil der konvexen Flanke
mit dem größten Krümmungsradius etwa parallel zur Dampfstrahlrichtung ausgerichtet ist. Zwei Positionen, in denen dies der
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Fall ist, sind in den Figuren Ib und Ic dargestellt.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren wird
nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 niher erläutert.
Es zeigen:
Figuren 1, a - c drei besonders kritische Stellungen
der Turbinenschaufeln gegenüber der
Verdampferquelle, in denen an gefährdeten
Stellen ein streifendes Aufdampfen eintritt,
Figur 2 eine grafische Dlrstellung der Zu
ordnung bestimmter Verweilzeiten zu
den einzelnen Winkelstellungen eines
vorgegebenen Sch.iuf el prof i 1 s und
Figur 3 eine Abwicklung der grafischen Dar
stellung in Figur I mit vergrößertem Ordi natenrn.ii.is tab .
In Figur 1 sind in sämtlichen Iei1d irste 11 im jen ι, b und
<; Verdampferquel1 en 10 dargestellt, die iui einem flachen, gekühlten
Verdampfertiegel 11 bestehen, die mit Aufdimpfmaterial
12 j-ifüllt sind, welches beispielsweise iur:h ßü.c.huß mit
f] t»k tronens trih I en mindestens teilweise in j'i ι. ίηο 11 ti η em Zi-
ir.iv.A geh.il ten wird. Als Au f d imp f mi luv ί 11 k'jiin.i>»n be i ;p i ά I ">
/^ i :e
9 0 9 « Λ 7 / D 1 4
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Legierungen aus der Gruppe CoCrAlY und NiCoCrAlY in Frage.
Von den einzelnen Badspiegeln 13 gehen Dampfströme aus,
deren Vorzugsrichtung senkrecht nach oben gerichtet ist. In einem Abstand zwischen etwa 150 und 500 mm oberhalb der
Badspiegel 13 befindet sich eine Turbinenschaufel 14, die
stellvertretend für eine Vielzahl gleicher Turbinenschaufeln
steht, die innerhalb eines Feldes oberhalb des Badspiegels 13 angeordnet sind. Figur 1 ist insofern nur als eine
schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse
zu werten.
Die Turb ine-nschaufel η besitzen je eine Anströmkante 15
und eine Abströmkante 16. Dazwischen liegt jeweils eine konkave Schaufelflanke 17 und eine konvexe Schaufelflanke
Die Schaufel flanke 17 ist in einen Flankenteil 17a mit grof3em Krümmungsradius und in einen Flankenteil 17b mit
einem kleinen Kriimmungsr id ius unterteilt. Ähnlich ist auch
die Schaufel flanke IB in einen Flankenteil 13a mit großem
Krümmungsradius und in einen Flankenteil 18b mit kleinem Krümmungsradius unterteilt. Die An- und Abströmkanten 15
und 16 sind jeweils <jut abgerundet; in der Abströmkante 16
können sich Austrittsöffnungen für den Durchsatz einer
Kühl gasströmung befinden. Einzelheiten des Schaufel profi1s
ergeben sich aus den Awslegungsdaten der Turbine und sind
nur insoweit Gegens f, ini der Erfindung, als sie die jeweiligen
Verwei 1 zei ten bee inn j ι ion .
In f-'igir 1 i ist ο i π ? ''■).; i t. inn Ί in]*; 3 te 1 I t, in :| -i r* iuf dem
:) H 4 7 / 0 1 4 4 Ll-
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Flankenteil 17a eine hohe Kondensationsrate, auf dem Flankenteil
17b jedoch eine niedrige Kondensationsrate vorliegt. Kritisch sind die Verhältnisse jedoch auf dem konvexen Flankenteil
18b auf dem bei dieser Stellung der Turbinenschaufel eine streifende Bedampfung erfolgt, die für die weiter oben
beschriebene Spaltenbildung verantwortlich ist. Die in
Figur la dargestellte Position muß infolgedessen möglichst rasch durchlaufen werden.
In Figur Ib ist die Abströmkante 16 auf den Badspiegel 13
ausgerichtet, und die Flankenteile 17a und 18a, die jeweils
einen großen Krümmungsradius haben, sind in etwa parallel zur Dampfstrahlrichtung ausgerichtet. Auf diesen Flankenteilen
findet gleichfalls eine streifende Bedampfung statt, deren Zeitdauer so kurz wie möglich gehalten werden muß.
für den Flankenteil 17b sind die Kondensationsverhältnisse
in dieser Stellung zwar günstig, jedoch muß dieser Vorteil zugunsten der Beseitigung der an den Flankenteilen 17a
und 18a auftretenden Nachteile aufgegeben werden.
Analoge Verhältnisse gelten auch für die Schaufelstel1ung
gemäß Figur Ic, in der der Flankenteil 18a durch streifende Bedampfung besonders gefährdet ist. Die an sich günstige
Bedampfungsstellung des Flankenteils 18b muß zugunsten der
Bedampfungsverhältnisse am Flankenteil 18a möglichst rasch durchlaufen werden.
In Figur 2 ist die gleiche Turbinenschaufel 14 wie in Figur
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in vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Drehachse ist mit D bezeichnet, eine horizontale Bezugslinie ist mit H-H
angegeben. Eingetragen sind außerdem der Anströmwinkel οΌ
und der Abströmwinkel .3 in idealisierter Form. Im vorliegenden
Fall ist cL = ft> , und die Winkelhalbierende W
ist senkrecht auf den in Figur 2 nicht dargestellten Badspiegel
ausgerichtet, der parallel zur Linie H-H verläuft,
Die Turbinenschaufel 14 ist von einem Kreis K umgeben, auf dem radial zur Drehachse D hin die Verweilzeiten der
einzelnen Oberflächenteile gegenüber dem Badspiegel aufgetragen
sind und zwar jeweils auf 10 Winkelgrade bezogen. Die Zählung beginnt an der mit "0 Grad" bezeichneten Stelle
im Uhrzeigersinne, d.h. die Turbinenschaufel 14 dreht sich in Richtung des Pfeiles 19 oberhalb des Badspiegels. Vollzieht
man eine Drehung der Turbinenschaufel 14 um einen bestimmten Winkel zusammen mit dem peripheren Diagramm 20,
welches durch/Seh raffur hervorgehoben wurde, so erhält man
senkrecht unter der Drehachse D jeweils die betreffende Verweilzeit, und zwar in absoluten Werten, die in Relation
zu den Verwei1 zeiten bei den übrigen Winkelstel1ungen der
Turbinenschaufel 14 gesetzt werden können.
Das periphere Diagramm 20 besteht aus mehreren Abschnitten 20a bis 20h, die sich über den Gesamtumfang von 360 Winkelgraden
verteilen. Die radiale Erstreckung der Abschnitte 20b, 2Od, 2Of und 20h ist in etwa gleich und verhält sich
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wie 1 : 4 zu den übrigen Abschnitten mit untereinander im wesentlichen gleicher radialer Erstreckung 20c, 20e und 20g.
Besonders auffällig ist die radiale Erstreckung des Abschnitts 20a, die etwa das Sechsfache der radialen Erstreckung
der Ahschnitte 20b etc. entspricht. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel betrugen die absoluten
Werte für den Abschnitt 20a etwa 120 Sekunden, für die Abschnitte 20b und folgende etwa 20 Sekunden und für die
Abschnitte 20c und folgende etwa 5 Sekunden, jeweils bezogen auf eine Drehung von 10 Winkelgraden. Hierdurch
konnte die gestellte Aufgabe im Hinblick auf das dargestellte Schaufel profi1 in vollem Umfange befriedigend gelöst werden.
Das periphere Diagramm 20 ist in Figur 3 in abgewickelter
Form dargestellt, und zwar sind auf der Absizze die Winkelgrade und auf der Ordinate die absoluten Verwei1zeiten
bei einem praktischen Ausführungsbeispiel in Sekunden pro
IOWinkelgrad angegeben. Von Bedeutung sind jedoch weniger
die absoluten Verwei1zeiten, sondern vornehmlich die Relationen
der Verwei1zeiten in den einzelnen Abschnitten.
Aus den Figuren 2 und 3 ist noch zu entnehmen, daß die übergänge
zwischen den einzelnen Diagrammabschnitten teils sprunghaft,
teils allmählich erfolgen. Diese Maßnahme stellt eine Optimierung der Verweilzeitveränderung dar.
Es sei noch angemerkt, daß die den einzelnen Verwei1zeiten
entsprechenden Drehzahlen des Antriebs nicht von Null verschieden sein müssen. Es ist ohne weiteres möglich, eine snt-
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sprechend lange Verweilzeit dadurch einzustellen, daß der
Antrieb für eine vorgegebene Verweilzeit stillgesetzt wird Eine solche Maßnahme kann insbesondere bei einer Schaufel-Stellung
gemäß Figur 2 gegenüber der Horizontalen gewählt werden; zusätzlich kann man noch am Ende des sich über
mehrere Umdrehungen der Schaufel erstreckenden Aufdampfvorganges die Schaufel in einer entsprechenden Stellung
anhalten und stationär bedampfen.
Während des Bedampfens werden die Turbinenschaufeln durch
Beheizung auf einer erhöhten Temperatur zwischen 900 und 1100 0C gehalten.
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L e e r s e i t e
Claims (4)
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ANSPRÜCHE:
Verfahren zum allseitigen Bedampfen von gekrümmten Turbinenschaufeln mit Anström- und Abströmkanten sowie
mit einer konkaven und einer konvexen Schaufelflanke
mit korrosions- und oxydationsbeständigen Legierungsschichten im Vakuum bei gleichzeitiger Drehung der
Turbinenschaufeln im Dampfstrom oberhalb einer Verdampferquelle
um ihre Längsachse, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit eines jeden Flächenelements
oberhalb der Verdampferquelle während einer Drehung von 360 in der Reise verändert wird, daS
sie bei einer Ausrichtung der Anström- und Abströmkanten auf die Verdampferquelle am kleinsten und bei
einer Ausrichtung der konkaven und der konvexen Flanken am größten ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verweilzeit etwa im mittleren Bereich der konkaven Flanke gegenüber der Verweilzeit im mittleren
Bereich der konvexen Flanke mindestens um den Faktor 2, vorzugsweise um mindestens den Faktor 4 größer
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweiizeit am längsten gehalten wird, während
die Winkelhalbierende zwischen Anströmwinkel und Ab-
ORIGINAL INSPECTED
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strömwinkel auf die Verdampferquelle ausgerichtet
ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verweilzeit dann im Bereich der kleinsten Verweil zeiten gehalten wird, wenn der Teil der
konvexen Flanke mit dem größten Krümmungsradius etwa parallel zur Dampfstrahlrichtung ausgerichtet
ist.
909847/OU4 - 3 -
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2821118A1 true DE2821118A1 (de) | 1979-11-22 |
| DE2821118C2 DE2821118C2 (de) | 1986-05-07 |
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ID=6039366
Family Applications (1)
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| DE2821118A Expired DE2821118C2 (de) | 1978-05-13 | 1978-05-13 | Verfahren zum allseitigen Bedampfen von gekrümmten Turbinenschaufeln |
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Family Cites Families (2)
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-
1978
- 1978-05-13 DE DE2821118A patent/DE2821118C2/de not_active Expired
- 1978-11-21 US US05/962,836 patent/US4233342A/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP1762634A1 (de) * | 2005-09-12 | 2007-03-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum Beschichten eines Bauteils |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE2821118C2 (de) | 1986-05-07 |
| US4233342A (en) | 1980-11-11 |
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