DE3018620C2 - Wärmedämmende und dichtende Auskleidung für eine thermische Turbomaschine - Google Patents

Wärmedämmende und dichtende Auskleidung für eine thermische Turbomaschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine wärmedämmende und dichtende Auskleidung für eine thermische Turbomaschine der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art Eine solche Auskleidung ist in der DE-OS 26 42 631 offenbart.
Aus der DE-OS 29 37 463 ist eine Dichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit mehreren bogenförmigen Segmenten bekannt, die die Spitzen der Rotorschaufeln umgeben, wobei die Dichtfläche aus einer hochwarmfesten Oxidmatrix mit ZrO2 besteht, der als Stabilisierer eine Mischung aus Y2O3, MgO und CaO beigesetzt ist. Diese durchgehend homogen aufgebaute Dichtfläche soll gleichzeitig hochwarmfest sein und hervorragende Schleifeigenschaften aufweisen, eine Forderung, die sich nur mit hohem Aufwand in begrenztem Maß verwirklichen läßt. Schließlich ist es schwierig, ein solches Dichtmaterial mit der notwendigen Haftfestigkeit auf eine Gehäusewand aufzubringen.
Durch die in jüngerer Zeit immer höher getriebene Leistungssteigerung von thermischen Turbomaschinen, wie Gasturbinen und Verdichtern, ergeben sich Probteme bei der Wärmedämmung solcher Maschinen.
Zwar hat die vorbekannte 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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine gattungsgemäße Auskleidung 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 eine gattungsgemäße Auskleidung für eine thermische Turbomaschine die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 aufweisen.
Ein erfindungsgemäß ausgekleidetes Gehäuse hat den
Vorteil, daß einerseits infolge der keramischen Zwischenschicht 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 Turboma- ι ο schine und einem damit verbundenen starken Temperaturanstieg durch die wärmedämmende Keramikzwischenschicht eine schnelle und starke Ausdehnung des dünnwandigen Metallgehäuses vermieden werden, so daß der Luftspalt 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 Verzögerungsphast. Kommt es zu einem Anstreifen des Rotors, 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 einer Gehäuseauskleidung nach Patentanspruch 2 gelöst werden. Durch die Auffüllung der metallischen Honigwabenstrukturen mit einer Wärmedämmschicht ergeben sich auch hier, insbesondere bei instationärem Betrieb der Turbomaschinen die oben geschilderten Vorteile. Zwar ist es aus der FR-PS 22 58 524 bekannt, zur inneren Auskleidung der Gehäusewand eine metallische Honigwabenstruktur anzubringen und diese ganz oder teilweise mit einem abriebfähigen porösen und überwiegend metallischen Material zu füllen. Allerdings ist bei dieser vorbekannten Lösung eine ausreichende Wärmedämmung nicht möglich.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll auf der keramischen Wärmedämmschicht eine Deckschicht aufgebracht sein, die, wie an sich bekannt, aus einem für Einlaufbeläge geeigneten porösen metallischen Material besteht und bis zum radial inneren Ende der Wabenstruktur reicht. Durch die vollständige Auffüllung der Honigwabenstruktur wird ein verbesserter Heißgaskorrosionsschutz der metallischen Honigwaben selbst und eine zusätzliche Verbesse-ung der Wärmedämmung erzielt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die vorzugsweise für Gasturbinengehäuse geeignet ist, soll die poröse Deckschicht aus heißgaskorrosionsbeständigem Material, insbesondere aus einer Metall-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung bestehen, wodurch selbst in höchsten Temperaturbereichen noch ausreichend Schutz der Honigwaben gegen Heißgaskorrosion erzielbar ist
In den Patentansprüchen 5 bis 8 sind bevorzugte Materialauswahlen für die Haftschicht, die Wärmedämmschicht und die Deckschicht aufgezeigt.
Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Gehäuseauskleidung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 5 bis 8 offenbart ist. Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte sind in Patentanspruch 9 aufgezeigt
Durch das erfindungsgemäße 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 v.'ird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine hohe Grenzflächentemperatur und eine gute Benetzung gewährleistet die Voraussetzung für die hohe Haftfähigkeit der einzelnen Schichten aneinander ist Es hat sich gezeigt, daß die Rauhtiefe von 30 bis 40 μιπ *πι einer besonders guten mechanischen Verklammerung zwischen dem Metallgehäuse und der Haftschicht führt (Druckknopfprinzip).
Die Herstellung einer Gehäuseauskleidung nach den Patentansprüchen 2 bis 8 soll erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 oder gemäß Patentanspruch 11 erfolgen.
Anhand der Zeichnungen wird die erfindungsgemäße Ausbildung eines Gehäuses für eine thermische Turbomaschine erläutert. In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Turbomaschine ausschnittsweise,
Fig.2 aas Schliffbild einer erfindungsgemäßen Gehäuseauskleidung, etwa 50fach vergrößert und
F i g. 3 eine mit einer Honigwabenstruktur versehene Gehäuseauskleidung ausschnittsweise im Schrägbild.
In dem Längsschnitt gemäß F i g. 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 F i g. 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 F i g. 3 ist die metallische Gehäusewand wiederum mit 2 bezeichnet und eine Haftschicht mit 31. Anders als bei der Auskleidung gemäß F i g. 2 ist auf die metallische Gehäusewand 2 eine metallische Honigwabenstruktur 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Wärmedämmende und dichtende Auskleidung für eine einen Laufschaufelkranz einer thermischen Turbomaschine umgebende Gehäusewand mit einer mittels thermischem Spritzen aufgebrachten keramischen Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung ein mittels thermischem Spritzen aufgebrachter Mehrschichtverbundkörper ist, welcher die keramische Schicht als Zwischenschicht (32) zwischen wenigstens einer an der Gehäusewand anliegenden metallischen Haftschicht (31) und einer als Einlaufbelag ausgebildeten porösen überwiegend metallischen Deckschicht (33) aufweist.
2. Wärmedämmende und dichtende Auskleidung für eine einen Laufschaufelkranz einer thermischen Turbomaschine umgebende Gehäusewand mit einer mittels thermischem Spritzen aufgebracnten keramischen Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung eine an sich bekannte teilweise mit Auskieidungsmaterial gefüllte metallische Honigwabenstruktur (34) umfaßt, wobei die Füllung eine mittels des thermischen Spritzens aufgebrachte an der Gehäusewand (2) anliegende metallische Haftschicht (31) umfaßt und darüber liegend die keramische Schicht als Wärmedammschicht (32).
3. Wärmedämmende und dichtende Auskleidung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der keramischen Wärmedämmschicht (32) eine Deckschicht (33) aufgebracht ist, die, wie an sich bekannt, aus einem für Einlaufbeläge geeigneten porösen metallischen Material besteht und bis zum radial inneren Ende der Wabenstruktur reicht
4. Auskleidung 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. Auskleidung 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.-% Al, 15,5 bis 21,5 Gew.-% Chrom und Nickel als Rest.
6. Auskleidung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht, wie an sich bekannt, aus ZrO2 besteht, das mit 5 bis 31 % CaO oder mit 8 bis 20% Y2O3 oder mit 15 bis 30% MgO stabilisiert ist.
7. Auskleidung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem stabilisierten ZrOj eine metallische Komponente beigemischt ist (Cermetschicht).
8. Auskleidung 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.
9. Verfahren zur Herstellung einer Gehäuseauskleidung nach den Ansprüchen 1 und 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand zunächst vorzugsweise mit AI2O3 auf eine Rauhtiefe von 30 bis 40 μηι 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 Hersteilung 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 Al2O3 auf 30 bis 40 μΐη 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 Zwischenabkühlung die Deckschicht aufgespritzt wird.
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