DE3321477C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine äußere Luftdichtung für Gasturbinentriebwerke, mit einem die Turbinenlaufschaufeln angrenzenden Dichtungsring, der eine abreibbare Keramikbeschichtung aufweist.

Solche Luftdichtungen wurden in der Gasturbinentriebwerksindustrie zur Verwendung in den Turbinenteilen von Gasturbinentriebwerken entwickelt, haben aber einen weiteren Anwendungsbereich in diesem und auch in anderen Industriezweigen.

Bei modernen Gasturbinentriebwerken werden die Arbeitsgase, die Temperaturen über 1100°C haben, durch Turbinenschaufelgitter hindurch entspannt, um dem strömenden Medium Leistung zu entziehen. Ein Deckband, das als äußere Luftdichtung bezeichnet wird, umgrenzt jedes Turbinenschaufelgitter, um das Lecken der Arbeitsgase über die Schaufelspitzen hinweg zu hemmen.

Die äußeren Luftdichtungen einiger Triebwerke werden aus einem metallischen Träger gebildet, auf den eine Wärmesperrbeschichtung zum Schutz der Dichtung vor den Hochtemperaturarbeitsgasen aufgebracht wird. Keramische Werkstoffe sind allgemein bekannt als wirkungsvolle Wärmeisolatoren und sind bei solchen Dichtungsanwendungsfällen in weitverbreitetem Einsatz. So lange wie die Keramikbeschichtung intakt bleibt, verhindert die Keramik eine unannehmbare Verschlechterung des Metallteiles, an dem sie haftet.

Eine äußere Luftdichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-OS 30 38 416 bekannt. Bei dieser vorbekannten äußeren Luftdichtung wird eine abreibbare Keramikbeschichtung des Dichtungsringes einer Wärmebehandlung ausgesetzt, um die Reibabnutzung zu vergrößern und um ein geordnetes Muster von sehr feinen Rissen zu entwickeln, die die thermische Beanspruchung in der Beschichtung verringern. Dadurch wird das Abriebverhalten der keramischen Beschichtung verbessert. Die Erosionsbeständigkeit außerhalb des Abreibbereiches, nämlich im Vorderkantenbereich und gegebenenfalls auch im Hinterkantenbereich, wird mit dieser Wärmebehandlung jedoch nicht erhöht.

In der DE-OS 30 38 371 wird eine durchgehende Abriebschicht aus Zirkonoxid als Abdeckschicht offenbart, die lediglich das Abriebverhalten der Keramikbeschichtung verbessert. In der DE-OS 30 26 227 wird vorgeschlagen, eine poröse Schicht mit einer undurchlässigen Schicht aus Keramikmaterial im Vorderkantenbereich und in dem den Laufschaufeln gegenüberliegenden Bereich zu überziehen. Durch diesen Überzug wird zwar die Erosionsbeständigkeit erhöht, aber das Abriebverhalten nicht verbessert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die gattungsgemäße äußere Luftdichtung so auszubilden, daß die Keramikbeschichtung eine höhere Erosionsbeständigkeit bei guter Abreibbarkeit aufweist.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorzugsweise wird das Keramikbeschichtungsmaterial aus zwei oder mehr als zwei Schichten mit abnehmender Dichte gebildet, wobei die obere und am wenigsten dichte Schicht eine glasierte Oberfläche an ihrem Vorderkantenbereich hat. Diese wird durch Glasieren einer sonst porösen Keramik erzielt. Vorteilhaft ist das Beschalten der porösen Keramik in dem mittleren Bereich der Dichtung und die dichte Keramikschicht zwischen der porösen Keramik und irgendwelchen metallischen Werkstoffen.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die verminderte Anfälligkeit der Dichtung für Erosion an der Vorderkante. Teilchen, die in dem Strom des Arbeitsmediums eingefangen sind, sind von der glasierten Oberfläche an dem Vorderkantenbereich ohne ernste Erosion ablenkbar. Dennoch bleibt die gute Abreibbarkeit über den Laufschaufelspitzen erhalten, indem man die Oberflächenporosität in diesem Bereich unbeeinflußt läßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen gezeigt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks, wobei ein Teil des Turbinengehäuses weggebrochen ist, um das Verhältnis der äußeren Luftdichtung zu den Turbinenschaufeln zu zeigen,

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht der äußeren Luftdichtung von Fig. 1, wobei das Gebiet hoher Oberflächendichte im Vorderkantenbereich der Dichtung dargestellt ist,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht der äußeren Luftdichtung von Fig. 1, wobei Gebiete hoher Oberflächendichte sowohl im Vorder- als auch im Hinterkantenbereich der Dichtung gezeigt sind,

Fig. 4 ein Schliffbild einer Keramikbeschichtung, die bis zu einer Tiefe von annähernd 0,127 mm oberflächenverdichtet worden ist.

Eine äußere Turbinenluftdichtung für ein Gasturbinentriebwerk ist in Fig. 1 dargestellt.

Das Triebwerk besteht im wesentlichen aus einem Verdichtungsabschnitt 10, einem Verbrennungsabschnitt 12 und einem Turbinenabschnitt 14. Ein Rotor 16 verläuft axial durch das Triebwerk. Die Laufschaufeln, wie z. B. die dargestellte einzelne Turbinenlaufschaufel 18, sind in Reihen angeordnet und erstrecken sich an dem Rotor nach außen durch einen Strömungsweg 20 für Arbeitstage. Jede Laufschaufel hat eine Spitze 22.

Der Rotor 16 ist in einem Stator 24, der ein Gehäuse 26 hat, untergebracht. Eine äußere Luftdichtung 28 umgrenzt die Spitzen 22 der Laufschaufeln. Jede äußere Luftdichtung ist üblicherweise aus einer Vielzahl von bogenförmigen Segmenten gebildet, die Ende an Ende um das Innere des Triebwerks herum angeordnet sind.

Ein Teil eines Luftdichtungssegmentes 30, das gemäß der Erfindung hergestellt ist, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Arbeitsgase des Triebwerksströmungsweges 20 durchqueren die Dichtung vom stromaufwärtsliegenden Ende oder von der Vorderkante 32 zum stromabwärtsliegenden Ende oder zur Hinterkante 34. Zum Zwecke der Kenntlichmachung ist die Oberfläche der Dichtung unterteilt in einen Vorderkantenbereich 36, einen, den Turbinenlaufschaufeln gegenüberliegenden mittleren Bereich 38 und einen Hinterkantenbereich 40. Der mittlere Bereich umfaßt im wesentlichen den Teil der Dichtungsoberfläche, an dem die Laufschaufeln vorbeistreichen. Der Vorderkantenbereich liegt vor diesem Teil und der Hinterkantenbereich hinter diesem Teil.

Im dargestellten Beispiel ist jedes äußere Luftdichtungssegment 30 um einen Metallträger 42 herum gebildet. Mehrere Schichten aus hochwertigem Metall/ Keramikmaterial sind an dem Träger befestigt, um eine mit Keramik beschichtete Dichtung herzustellen. Wie dargestellt ist, weisen die mehreren Schichten eine Bindeschicht 44 aus einer Nickel-Chrom-Aluminium- Legierung, zwei Zwischenschichten 46 aus einer Mischung aus Zirkonoxyd (ZrO₂) und einer Kobalt- Chrom-Aluminium-Yttrium (CoCrAlY)-Legierung, eine dichte Ganzkeramikschicht 48 aus Zirkonoxyd (ZrO₂) und eine poröse Ganzkeramikschicht 50 aus Zirkonoxyd (ZrO₂) auf.

Der Zweck der Keramikschichten in einem äußeren Luftdichtungsaufbau ist ein doppelter: um eine Wärmesperrschicht zu schaffen, die den Träger vor den heißen Arbeitsgasen der Turbine, welchen der Träger sonst ausgesetzt wäre, abschirmt, und um eine abreibbare Dichtung zu schaffen, die Wärmedehnungen der umgrenzten Laufschaufeln ohne eine zerstörende gegenseitige Beeinflussung zuläßt. Die gewünschten Materialeigenschaften sind gute Abreibbarkeit beim Aufschlagen vorbeigehender Laufschaufeln und eine gute Erosionsbeständigkeit. Die Arbeitsgase des Triebwerksströmungsweges können Schmutzteilchen oder andere Fremdsubstanzen enthalten, und bis die Gase den Turbinenbereich erreichen, können sie auch Kohleteilchen vom Triebwerksbrenner enthalten. Durch solche Teilchen, die auf der Oberfläche der äußeren Luftdichtung aufschlagen, erodiert wahrscheinlich das Material, insbesondere wenn das Material porös ist und eine mäßige oder geringe Festigkeit hat. Bei manchen Triebwerken können die heißen Gase selbst erosiv sein.

Daher werden Dichtungen gemäß der Erfindung so hergestellt, daß sie einen Bereich 52 der Beschichtung mit einer Keramik hoher Oberflächendichte in dem Vorderkantenbereich 36 bezogen auf die Oberflächendichte der Keramik in dem mittleren Bereich 38 über den Laufschaufeln hat. Die Erosionsbeständigkeit wird dadurch verbessert, ohne daß die gewünschte Abreibbarkeit über den Schaufelspitzen zerstört wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird der Bereich mit hoher Oberflächendichte durch Techniken mit gerichteter Energiestrahlung mit örtlicher Aufheizung, z. B. durch einen Plasmabrenner oder Laser erzeugt. Die Keramik an der Oberfläche wird durch die gerichtete Energie geschmolzen, und wenn sie abgekühlt ist, ist sie sehr dicht und erscheint glasiert. Teilchen und Gase, die auf dem glasierten Bereich auftreffen, werden von der Oberfläche unter geringer Erosion abgelenkt.

Die bevorzugte Tiefe der Glasur reicht um die Größenordnung von 0,127-0,254 mm in die Keramik hinein, wobei eine besonders dichte Struktur an der Oberfläche ist. Größere oder geringere Tiefen können auch akzeptiert werden, die Tiefe muß aber erstens ausreichend zur Schaffung von Erosionsbeständigkeit über eine ausreichende Teillebensdauer und zweitens nicht so groß sein, daß es thermisch unvereinbar mit dem porösen Substrat ist, an welchem es haftet. Thermische Unvereinbarkeit verursacht wahrscheinlich seitliche Risse an der Schnittstelle zwischen der Glasur und dem Substrat und als Ergebnis das Abplatzen des glasierten Materials. Wenn die Tiefen innerhalb des bevorzugten Bereiches gehalten werden, wird ein gewünschtes vertikales Rissenetz in dem Substrat wahrscheinlich in die glasierte Oberfläche eindringen, und das Abplatzen wird vermieden werden. Bei manchen Ausführungsformen kann es auch wünschenswert sein, auf ähnliche Art und Weise einen Bereich 54 aus glasierter Keramikbeschichtung an dem Hinterkantenbereich 40, wie in Fig. 3 gezeigt ist, herzustellen.

Eine annehmbare Verdichtung der Zirkonoxyd (ZrO₂)- Keramik ist durch Plasmapistolenschmelzen unter Verwendung der METCO 7mb Pistole mit einer Düse des GE-Typs und unter den in der folgenden Tabelle gezeigten Bedingungen erzielt worden:

Pistole
Abstand zu Werkstück|31,75 mm
Strom	680 A
Spannung	75 V

Lichtbogengas
Primär - Gas
Stickstoff
Primär - Druck	0,344 MPa
Primär - Volumendurchsatz	2265,36 dm³/h
Sekundär - Gas	Wasserstoff
Sekundär - Druck	0,344 MPa
Sekundär - Volumendurchsatz	1415,85 dm³/h

Wärmeüberquerung
Geschwindigkeit|18,3 m/m
Anzahl der Durchgänge	1
Zunahme zwischen den Durchgängen	3,17 mm

Substratvorheizen
Temperatur - Beginn
Raumtemperatur
Temperatur - Ende	Raumtemperatur
Kühlung	keine

Das Schliffbild von Fig. 4 zeigt die erzielte Eindringtiefe. Die Verdichtungswirkungen sind bis zu einer Tiefe von 0,025 mm bei einer Eindringtiefe von annähernd 0,127 mm am größten.

Claims (4)

1. Äußere Luftdichtung für Gasturbinentriebwerke, mit einem die Turbinenlaufschaufeln umgrenzenden Dichtungsring, der eine abreibbare Keramikbeschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikbeschichtung (50, 52, 54) an der gasbestrichenen Oberfläche aus einem einheitlichen Werkstoff besteht, der in dem vor den Turbinenlaufschaufeln (18) liegenden Vorderkantenbereich (36) des Dichtungsringes durch Wärmebehandlung glasiert ist und in dem Bereich (38), der den Turbinenlaufschaufeln (18) gegenüberliegt, unverändert porös ist.

2. Äußere Luftdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff in dem hinter den Turbinenlaufschaufeln (18) liegenden Hinterkantenbereich (40) des Dichtungsringes glasiert ist.

3. Äußere Luftdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der glasierte Bereich (36, 40) bis zu einer Tiefe von annähernd 0,127 bis 0,254 mm in die Beschichtung (50, 52, 54) hineingeht.

4. Äußere Luftdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die abreibbare Keramikbeschichtung (50, 52, 54) aus Zirkonoxyd (ZrO₂) besteht.