DE2821118C2 - Verfahren zum allseitigen Bedampfen von gekrümmten Turbinenschaufeln - Google Patents

Description

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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.

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 Sub- es strathalters 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 kondeasierten Materialschicht zu überziehen. Insbesondere bei komplizierten zusammengesetzten Rotationsbewegungen, wie beispielsweise bei den bekannten Evolventenbewegungen baut man auf Zufälügkeitsgesetze, 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 gegegebenenfalls durch die Kollision von Dampfpartikeln mit GasmoleküJen der Restgasatmosphäre begünstigt Die Ausnutzung einer Zufälligkeitsverteilung 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 Stahllegierungen 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 entsprechend 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 CHROMAL-LOY 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 gleichmäßiger dicker, dichter, spalten- und porenfreier, haftiester Überzug 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 Überzug 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 gehalten wird.

Ausgedehnte Versuche haben ergeben, daß eine sogenannte streifende Aufdampfung für die Schichtausbildung besonders schädlich ist. Diese streifende Auf-

dampfung 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 den Schichten, die eine Dicke zwischen 100 und 400 · 10~³ 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 F i g. 1 grafisch dargestellt Die in der Schiebt 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.

Die Unterschiede in den einzelnen Verweilzeiten 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 είπε 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 F i g. 2 dargestellt.

Zweckmäßig wird die Verweilzeit während der Ausrichtung des Teils der konvexen Flanke mit dem größten Krümmungsradius parallel zur Dampfstrahlrichtung im Bereich der kleinsten Verweilzeiten gehalten. Zwei Positionen, in denen dies der Fall ist, sind in den F i g. 1 b und Ic dargestellt.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen

Fig. la—c drei besonders kritische Stellungen der Turbinenschaufeln gegenüber der Verdampferquelle, in denen an gefährdeten Stellen ein streifendes Aufdampfen eintritt,

F i g. 2 eine grafische Darstellung der Zuordnung bestimmter Verweilzeiten zu den einzelnen Winkelstellungen eines vorgegebenen Schaufelprofils, und

F i g. 3 eine Abwicklung der grafischen Darstellung in F i κ. 2 mit vergrößertem Ordinatenmaßstab.

In F i g. 1 sind in sämtlichen Teildarstellungen a, b und c Verdampferquellen 10 dargestellt, die aus einem flachen, gekühlten Verdampfertiegel 11 bestehen, die mit Aufdampfmaterial 12 gefüllt sind, welches beispielsweise durch Beschüß mit Elektronenstrahlen mindestens teilweise in geschmolzenem Zustand gehalten wird. Als Aufdampfmaterial kommen beispielsweise Legierungen aus der Gruppe CoCrAIY und NiCoCrAlY in Frage. Von den einzelnen Badspiegeln 13 gehen Dampfströme

to 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. F i g. 1 ist insofern nur als eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse zu werten.

Die Turbinenschaufeln besitzen je eine Anströmkante 15 und eine Abströmkante 16. Dazwischen liegt jeweils eine konkave Schaufelflanke 17 snd eins konvexe Schaufeiflanke 18. Die Schaufeifiankt: \~ ist in einen Flankenteil 17a mit großem Krümmungsradius und in einen Flankenteil 176 mit einem kleinen Krümmungsradius unterteilt. Ähnlich ist auch die Schaufelflanke 18 in einen Flsnkenteil 18a mit großem Krümmungsradius unterteilt Die An- und Abströmkanten 15 und 16 sind jeweils gut abgerundet; in der Abströmkante 16 können sich Austrittsöffnungen für den Durchsatz einer Kühlgasströmung befinden. Einzelheiten des Schaufelprofils ergeben sich aus den Auslegungsdaten der Turbine und sind siur insoweit Gegenstand der Erfindung, als sie die jeweiligen Verweilzeiten beeinflussen.

In F i g. 1 a ist eine Position dargestellt, in der auf dem Flankenteil 17a eine hohe Kondensationsrate, auf dem Flankenteil Mb jedoch eine niedrige Kondensationsrate vorliegt. Kritisch sind die Verhältnisse jedoch auf dem konvexen Flankenteil 18£> auf dem bei dieser Stellung der Turbinenschaufel 14 eine streifende Badampfung erfolgt, die für die weiter oben beschriebene Spaltenbildung verantwortlich ist Die in F i g. 1 a dargestellte Position muß infolgedessen möglichst rasch durchlaufen werden.

In Fig. 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 YIb sind die

so 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 Schaufelstellung gemäß F i g. ic, in der der Flankenteii 18a durch streifende Bedampfung besonders gefährdet ist. Die an sich günstige Bedampfungsstellung des Flankenteils 186 muß zugunsten der Bedampfungsverhältnisse am Flankenteil 18a möglichst rasch durchlaufen werden.

In F i g. 2 ist die gleiche Turbinenschaufel 14 wie in F i g. 1 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Drehachse ist mit D bezeichnet, eine horizontalt Bezugslinie ist mit H-H angegeben. Eingetragen sind außerdem der Anströmwinkel λ und der Abströmwinkel β in ideali-

e5 sierter Form. Im vorliegenden Fall ist λ = /?, und die Winkelhalbierende Wist senkrecht auf den in Fig. 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 Badspicgel 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 Schraffur hervorgehoben wurde, so erhält man senkrecht unter der Drehachse D jeweils die betreffende Verweilzeit, und zwar in absoluten Werten, die in Relation zu den Verweilzeiten bei den übrigen Winkelstellungen der Turbinenschaufel 14 gesetzt werden können.

Das periphere Diagramm 20 besteht aus mehreren Abschnitten 20ί> hi? T(Ih. Hie sich über den Gesamtumfang von 360 Winkelgraden verteilen. Die radiale Erstreckung der Abschnitte 206, 2Od, 20/ und 20h ist in etwa gleich und verhält sich 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 Abschnitte 20b etc. entspricht. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel betrugen die absoluten Werte für den Abschnitt 20a etwa 120 Sekunden, für die Abschnitte 206 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 Schaufelprofil in vollem Umfange befriedigend gelöst werden.

Das periphere Diagramm 20 ist in F i g. 3 in abgewikkelter Form dargestellt, und zwar sind auf der Abzsisse die Winkelgrade und auf der Ordinate die absoluten Verweilzeiten bei einem praktischen Ausführungsbeispiel in Sekunden pro 10 Winkelgrad angegeben. Von Bedeutung sind jedoch weniger die absoluten Verweilzeiten, sondern vornehmlich die Relationen der Verweilzeiten in den einzelnen Abschnitten.

Aus den F i g. 2 und 3 ist noch zu entnehmen, daß die Übergänge zwischen den einzelnen Diagrammabschnitten teils sprunghaft, teils allmählich erfolgen. Diese 45 Maßnahme stellt eine Optimierung der Verweilzeitveränderung dar.

Es sei noch angemerkt, daß die den einzelnen Verweilzeiten entsprechenden Drehzahlen des Antriebs nicht von Null verschieden sein müssen. Es ist ohne 50 weiteres möglich, eine entsprechende lange Verweilzeit dadurch einzustellen, daß der Antrieb für eine vorgegebene Verweilzeit stillgesetzt wird. Eine solche Maßnahme kann insbesondere bei einer Schaufelstellung gemäß Fig. 2 gegenüber der Horizontalen gewählt werden; 55 zusätzlich kann man noch am Ende des sich über mehrere Umdrehungen der Schaufel erstreckenden Aufdampfvorganges die Schaufeln in einer entsprechenden Stellung anhalten und stationär bedampfen.

Während des Bedampfens werden die Turbinen- 60 schaufeln durch Beheizung auf einer erhöhten Temperatur zwischen 900 und 1100" C gehalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum allseitigen Bedampfen von gekrümmten Turbinenschaufeln mit Anström- und Abströmkanten sowie mit einer konkaven und einer konvexen Schaufelflanke mit korrosions- und oxidationsbeständigen Legeriungsgeschichten im Vakuum bei gleichzeitiger Drehung der Turbinenschaufeln in Dampfstrom oberhalb einer Verdampferquel-Ie um ihre Längsachse, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit eines jeden Flächenelements oberhalb der Verdampferquelle während einer Drehung um 360° in der Weise verändert wird, daß sie bei einer Ausrichtung der Anstrcm- und Abströmkanten auf die Verdampferquelle am kleinsten und bei einer Ausrichtung der konkaven und der konvexen Ranken am größten gehalien wird.

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 gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit während der Ausrichtung der Winkelhalbierenden zwischen Anströmwinkel und Abströmwinkel auf die Verdampferquelle am längsten gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit wilhrend der Ausrichtung der konvexen Flanke mit dem größten Krümmungsradius etwa parallel zur D; npfstrahlrichtung im Bereich der kleinsten Verweilzeiten gehalten wird.