DE3018620A1 - Gehaeuse fuer eine thermische turbomaschine mit einer waermedaemmenden auskleidung - Google Patents

Gehaeuse fuer eine thermische turbomaschine mit einer waermedaemmenden auskleidung

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DE3018620A1 DE19803018620 DE3018620A DE3018620A1 DE 3018620 A1 DE3018620 A1 DE 3018620A1 DE 19803018620 DE19803018620 DE 19803018620 DE 3018620 A DE3018620 A DE 3018620A DE 3018620 A1 DE3018620 A1 DE 3018620A1
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Description

ba/fr
MTU MOTOREN-UNU TURBINEN-UNIσΝ
MÖNCHEN GMBH
München, 12. Mai 1980 Gehäuse für eine thermische Turbomaschine
mit einer wärmedämmenden Auskleidung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gehäuse für eine thermische Turbomaschine der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art.
Durch die in jüngerer Zeit immer höher getriebene Leistungssteigerung von thermischen Turbomaschinen, wie Gasturbinen und Verdichtern, ergeben sich Probleme bei der Wärmedämmung solcher Maschinen. Hier hat die Auskleidung der Gehäuse mit Keramikwerkstoff zu einer erheblichen Verbesserung der Wärmedämmung geführt, allerdings ist es
bisher nicht gelungen, die stark unterschiedliche Wärmedehnung zwischen Metallgehäuse und Keramikauskleidung mit vertretbarem baulichen Aufwand zu beherrschen. Ein weiteres Problem von mit Keramikwerkstoffen ausgekleideten Gehäusen besteht darin, daß Keramik als Anlaufschicht
für schnell rotierende Läufer aufgrund der großen Härte ungeeignet ist und zu erhöhtem Verschleiß der Läufer führt, woraus sich Unwuchten des Läufers und unzulässig große Luftspalte ergeben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein gattungsgemäßes Gehäuse für eine thermische Turbomaschine so auszubilden, daß gleichzeitig hohe Wärmedämmung und beste Einlauffähigkeit garantiert sind. Darüber hinaus muß das Gehäuse höchste Temperaturbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen.
Zur Lösung dieser Aufgabe soll ein gattungsgemäßes Gehäuse für eine thermische Turbomaschine die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 aufweisen.
Ein erfindungsgemäß ausgekleidetes Gehäuse hat den Vorteil, daß einerseits infolge der keramischen Zwischen- schicht eine hohe Wärmedämmung zwischen dem Heißgasstrom und dem metallischen Gehäuse erzielt wird, andererseits durch die poröse überwiegend metallische Deckschicht Verschleißerscheinungen des Rotors infolge Anlaufens am Gehäuse minimal gehalten werden können. Besonders bei instationärer Betriebsweise der Turbomaschine wird durch den Mehrschicht-Verbundkörper eine Verbesserung des Betriebsverhaltens erzielt. So kann bei Beschleunigung der Turbomaschine und einem damit verbundenen starken Temperaturanstieg durch die wärmedämmende Keramikzwischenschicht eine schnelle und starke Ausdehnung des dünnwandig gen Metallgehäuses vermieden werden, so daß der Luft-
. spalt zwischen dem sich langsam ausdehnenden Rotor und dem Gehäuse gering gehalten wird. Umgekehrt kann bei einer Verzögerung der Turbomaschine und einem damit verbundenen starken Temperaturabfall im Innern vermieden werden, daß das dünnwandige Gehäuse sehr viel schneller abkühlt als der Rotor, was zu einer unzulässig starken Abarbeitung der inneren Oberfläche des Gehäuses durch den Rotor führen würde, insbesondere bei Wiederbeschleunigung in der Ver-
zögerungsphase. Kommt es zu einem Anstreifen des Rotors,
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so wird ein Verschleiß des Rotors bzw. der Rotorschaufeln durch die besondere Beschaffenheit der inneren Deckschicht der Gehäuseauskleidung verringert. Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Auskleidung eines Gehäuses der Abstand zwischen Rotor bzw. Rotorschaufeln und Gehäuse enger bemessen werden, und es können dadurch bessere Wirkungsgrade als bisher erzielt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch durch die Ausbildung eines gattungsgemäßen Gehäuses nach Patentanspruch 2 gelöst werden. Durch die Auffüllung der an sich als Anlaufbelag bekannten metallischen Honigwabenstrukturen mit einer Wärmedämmschicht ergeben sich auch hier, insbesondere bei instationärem Betrieb der Turbomaschinen die oben geschilderten Vorteile. .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll zusätzlich zu der Honigwabenstruktur eine poröse überwiegend metallische Deckschicht aus einem für Einlaufbeläge geeigneten Material bis zur Höhe der Wabenstruktur aufgebracht sein. Durch die vollständige Auffüllung der Honigwabenstruktur wird ein verbesserter Heißgaskorrosionsschutz der metallischen Honigwaben selbst und eine zusätzliche Verbesserung der Wärmedämmung erzielt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die vorzugsweise für Gasturbinengehäuse geeignet ist, soll die poröse Deckschicht aus heißgaskorrosionsbeständigem Material, insbesondere aus einer MetaTI-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung bestehen, wodurch selbst in höchsten Temperaturbereichen noch ausreichend Schutz der Honigwaben gegen Heißgaskorrosion erzielbar ist.
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τ■; ;y - ■ . ■"■> ■■. ■ . ■■.-In den Patentansprücheri 5,- 6 und 7 sind bevorzugte MatertaTauswahlen für die Haftschicht, die Wärmedämmschicht und die Deckschicht aufgezeigt. ;
■'.'■■"■■■ -:. ".■■'■■ I
Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren ; zur Herstellung einer Gehäuseauskleidung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 5 bis 7 offenbart ist. Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte sind in Patentanspruch "1-0 aufgezeigt.
Durch das erflndungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß der Haftmechanismus zwischen den einzelnen Schichten, der durch mechanische Verklammerung und physikalische Bindung,, "'-- Diffusion und metallurgische Wechselwirkungen bewirkt wird, im Sinne einer besonders guten Haftung beeinflußt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine hohe Grenzflächentemperatur und eine gute Benetzung gewähr- j
leistet, die Voraussetzung für die hohe Haftfähigkeit
der einzelnen Schichten aneinander ist. Es hat sich gezeigt, daß die Rauhtiefe von 30 bis 40 ^m zu einer besonders guten mechanischen Verklammerung zwischen dem Metallgehäuseund der Haftschicht führt (Druckknopfprinzip).
Die Herstellung einer Gehäuseauskleidung nach den Patentansprüchen 2 bis 7 soll erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 9 oder gemäß Patentanspruch erfolgen.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die erfindungsgemäße Ausbildung eines Gehäuses für eine thermische Turbomaschine erläutert. In den Zeichnungen zeigen
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Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Turbomaschine ausschnittweise,
Fig. 2 das Schi iffbild einer erfindungsgemäßen
Gehäuseauskleidung, etwa 5Ofach vergrößert . und
Fig. 3 eine mit einer Honigwabenstruktur versehene Gehäuseauskleidung ausschnittweise
im Schrägbild. :
In dem Längsschnitt gemäß. Fig. 1 ist ein Rotor einer Turbomaschine mit 1 bezeichnet, ein Gehäuse mit 2. Der Rotor 1 umfaßt zwei Rotorscheiben, die jeweils mit Axiallaufschaufeln bestückt sind. Jeweils der Stirnfläche der Laufschaufeln gegenüberliegend ist das Gehäuse 2 mit einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Auskleidung 3 versehen.
Der Aufbau dieser Auskleidung 3 ist in Fig. 2 anhand eines vergrößerten Schliffbildes dargestellt. Das metallische Gehäuse selbst ist in Fig. 2 wiederum mit 2 bezeichnet. Angrenzend an die Oberfläche des metallischen Gehäuses 2 liegt eine metallische Haftschicht 31, Über dieser eine keramische Zwischenschicht 32 und darüber eine poröse überwiegend metallische Deckschicht. Die weißen Stellen in der Deckschicht 33 sind Nickelbestandteile, die dunkelgrauen Graphitbestandteile, während die schwarzen Stellen Hohlräume sind. Der oberhalb der Deckschicht 33 erscheinende schwarze Rand bildet einen Hintergrund, d. h. er gehört nicht mehr zur Deckschicht 33.
In dem Schrägbild gemäß Fig. 3 ist die metallische Gehäusewand wiederum mit 2 bezeichnet und eine Haftschicht mit ° 31. Anders als bei der Auskleidung gemäß Fig. 2 ist auf die
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metallische Gehäusewand 2 eine metallische Honigwabenstrtiktur 34 aufgelötet. In die Honigwaben ist die Haftschicht 31 und darüber die keramische Dämmschicht 32 mittels Flammspritzen oder Plasmaspritzen eingefüllt worden. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Honigwaben 34 nur etwa bis zur Hälfte ihrer Höhe ausgefüllt und es befindet sich oberhalb der keramischen Wärmedämmschicht 32 jeweils freier Hohlraum. Bei alternativen Ausführungsformen kann dieser oberhalb der keramischen Wärmedämmschicht 32 sich befindende Hohlraum in den Honigwaben 34 von einer porösen überwiegend metallischen Deckschicht ausgefüllt sein oder von einer speziell heißgaskorrosionsbeständigen Deckschicht. Die Verwendung der Honigwabenstruktur 34 ist vor allem aufgrund ihrer stützenden Wirkung für den Mehrschichtverbundkörper, bestehend aus Haftschicht 31, Wärmedämmschicht 32 und gegebenenfalls poröser Deckschicht 33 von Vorteil.
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e e r s

Claims (2)

  1. -/- 3018820
    MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
    MÖNCHEN GMBH
    München, 12. Mai 1980
    ·
    Patentansprüche
    Gehäuse für eine thermische Turbomaschine mit einer wärmedämmenden Auskleidung aus Keramikwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung einen mittels thermischem Spritzen aufgebrachten Mehrschicht-Verbundkörper umfaßt, welcher wenigstens eine an der Gehäusewand anliegende metallische Haftschicht (31), eine keramische Zwischenschicht (32) und eine als Einlaufbelag ausgebildete poröse überwiegend metallische Deckschicht (33) umfaßt.
    2. Gehäuse für eine thermische Turbomaschine mit einer wärmedämmenden Auskleidung aus Keramikwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung eine an sich bekannte metallische Honigwabenstruktur (34) umfaßt, die mit einer mittels des thermischen Spritzens
    3® aufgebrachten an der Gehäusewand anliegenden metallische Haftschicht (31) und einer keramischen Wärmedämmschicht (32) teilweise gefüllt 1st.
    3. Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß - auf der keramischen Wärmedämmschicht (32) eine poröse
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    überwiegend metallische Deckschicht (33) aus einem für EinlaufbelHge geeigneten Material bis zur Höhe der Wabenstruktur aufgebracht ist.
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    4. Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet» daß auf der keramischen Wärmedämmschicht eine poröse Deckschicht aus heißgaskorrosionsbeständigem Material, insbesondere aus einer Metall-Chrom-Aluminium-Yttrium-
    Legierung (MeCrAlY-Legierung) angebracht ist.
    5. Gehäuse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Haftschicht aus einer Ni-Cr-Al-Legierung besteht mit 4,5 bis 7,5 Gew.
  2. 2 Al, 15,5 bis 21,5 Gew.% Chrom und Nickel als Rest.
    6. Gehäuse nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht aus ZrO^ besteht, das mit 5 bis 31 % CaO oder mit 8 bis 20 % Y2-O3 oder mit 15 bis 30 % MgO stabilisiert ist.
    7. Gehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem stabilisierten ZrOg eine metallische Komponente beigemischt ist (Cermetschicht).
    8. Gehäuse nach den Ansprüchen 1 bis 3, oder 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Deckschicht aus einer Legierung vorzugsweise Ni-Cr-Legierung oder aus einer Metall-Keramik-Verbindung, vorzugsweise Ni-BN oder
    aus einer Metall-Kunststoff-Verbindung, vorzugsweise Ni-Polyamid (NiCr-Polyamid) oder aus einer Ni-Graphit-Verbindung mit vorzugsweise 75 Gew.! Ni und 25 Gew.% Graphit besteht.
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    9. Verfahren zur Herstellung einer Gehäuseauskleidung nach den Ansprüchen 1 und 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehausewand zunächst vorzugsweise mit Ai2O3 auf eine Rauhtiefe von 30 bis 40^m gestrahlt wird und danach die Haftschicht, die Wärmedämmschicht und die Deckschicht mittels Flammspritzen oder Plasmaspritzen aufgetragen wird, wobei jeweils die nächstfolgende Schicht auf die vorhergehende Schicht ohne Zwischenabkühlung aufgespritzt wird.
    10. Verfahren zur Herstellung einer Gehäuseauskleidung nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Honigwabenstruktur mit wenigstens 2 mm Wabenweite auf die Innenwand des Gehäuses aufgelötet wird und danach, vorzugsweise mit Al^Oo auf 30 bis 40 ^ ra Rauhtiefe gestrahlt wird, worauf in die Honigwabenstruktur zunächst die Haftschicht und danach ohne Zwischenabkühlung die Keramikschicht eingespritzt wird.
    11. Verfahren zur Herstellung einer Gehäuseauskleidung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Keramikschicht ohne ZwischenabkUhlung die Deckschicht aufgespritzt wird.
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    1 3 0 0Λ8/00 50
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