DE4436186C2 - Turbinen- oder Kompressorschaufel mit einer spannungsreduzierten Spitze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel in einer Gasturbinen­ maschine und insbesondere eine Schaufel mit einer spannungsreduzierten Schaufelspitze, die für den Kontakt mit einer Umfangsdichtung vorgesehen sind.

Gasturbinenmaschinen enthalten eine Reihe von Kompressor- und Turbinenschaufeln, die um eine Mittelachse der Maschine rotieren. Die Wirksamkeit des Kompressors und der Maschine ist teilweise abhängig von dem Volumen komprimierter Luft, das durch die Spalte zwischen den Komperessorschaufeln und der sie umgebenden Umfangswände oder Umfangsdichtungen hindurchtritt. Ähnlich ist die Wirksamkeit des Turbinenabschnittes durch das Hindurchtreten der expandierenden Verbrennungsprodukte durch die Umfangsspalte der Turbinenschaufeln beeinträchtigt. Der Maschinenwirkungsgrad kann erhöht werden, indem die Größe des Spaltes zwischen den Spitzen der Kompressor- oder Turbinenschaufeln und der damit zusammenwirkenden Umfangsdichtung verkleinert wird, um eine Leckage am Schaufel­ dichtungsübergang zu reduzieren.

Ein bekanntes Verfahren, das zur Reduzierung von Verlusten zwischen den Schaufelspitzen und der damit zusammenwirkenden Umfangsdichtung angewendet wird, verwendet abschleifbare Dichtungen. Bei dieser Konstruktion ist die Umfangsdichtung, von welcher die Schaufel umgeben wird, aus einem Material, das leicht durch den Kontakt mit den Schaufelspitzen abgetragen oder abgeschliffen werden kann. Um die Schaufeln in der Außendichtung zu lagern, werden die Schaufeln gedreht, so daß die Spitzen der Schaufeln an der Außendichtung reiben oder diese abtragen, bis ein geeigneter Sitz erreicht wird. Durch dieses Verfahren zum Einrichten der Dichtung wird ein Sitz mit enger Toleranz erzeugt, durch den Luftverluste entlang der Dichtung reduziert werden. Die Verwendung von abschleifbaren Außendichtungen hat sich für die Erhöhung des Maschinenwirkungsgrades als erfolgreich erwiesen.

In der Vergangenheit wurden die abschleifbaren Außendichtungen gewöhnlich aus einem Material ausgebildet, das mit "Fasermetall" bezeichnet wurde. Fasermetall ist ein sehr weiches, leicht abschleifbares Material, durch welches ein Einschneiden der Schaufelspitzen in die Dichtungen zugelassen wird, ohne daß dadurch eine wesentliche Beschädigung oder ein wesentlicher Verschleiß der Schaufelspitzen verursacht wird.

Bei modernen Turbinenmaschinen sind noch engere Toleranzen zwischen den Schaufeln und Dichtungen wünschenswert, als in der Vergangenheit erreicht wurde, um den Maschinenwirkungsgrad weiter zu vergrößern. Um dies zu erreichen, wurden die Außendichtungen aus einem härteren, dichteren und dauerhafteren Material ausgebildet, das engere Toleranzen und eine längere Dichtungslebensdauer ermöglicht. Jedoch trägt die Verwendung solcher Materialien zu einer stärkeren Beschädigung und einem stärkeren Verschleiß der Schaufelspitzen während des Einschleifprozesses bei. Durch den physischen Kontakt zwischen den Schaufelspitzen und dem härteren Dichtungsmaterial besteht die Gefahr, daß die Schaufelspitzen abgeschliffen und beschädigt werden. Diese Beschädigung trägt ihrerseits zu einem verstärkten Schaufelverschleiß und zu erhöhten Metalltemperaturen bei, was zu Fehlern wegen des Auftretens von Rissen und deren Vergrößerung beitragen kann. Durch den Verschleiß der Schaufelspitzen wird die Schaufellebensdauer insgesamt verringert und die aeorodynamische Gestaltung der Schaufel beeinträchtigt, wodurch der Maschinenwirkungsgrad verringert wird.

Eine bekannte Methode zur Verringerung des Schaufelspitzenverschleisses während des Einschleifens der Dichtung aus härterem Dichtungsmaterial besteht darin, eine abschleifbare Beschichtung der Schaufelspitzen aufzubringen, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Eine abschleifbare Beschichtung 10 wird auf die Spitze 12 einer Schaufel 14 aufgebracht. Die abschleifbare Beschichtung ist aus einem Hartmaterial, das zur Einschneidbarkeit in die abschleifbare Dichtung beiträgt, ohne einen wesentlichen Verschleiß oder eine wesentliche Beschädigung der abschleifbaren Beschichtung 10 oder der Schaufelpitze 12 herbeizuführen. Häufig enthält die abschleifbare Dichtung abschleifbare Teilchen 16, die in eine Metallmatrix eingebettet sind. Die abschleifbaren Teilchen können aus der Beschichtung der Schaufelspitze vorstehen, um zum Einschneiden der Schaufelspitze in die abschleifbare Dichtung und zum Einschleifen beizutragen.

Zwei Beispiele von Methoden, eine abschleifbare Beschichtung der Schaufelspitze aufzubringen, sind in der US-PS 5 074 970 und 4 169 020 beschrieben, deren Beschreibungen hiermit durch die Bezugnahme darauf in die vorliegende Offenbarung einbezogen ist. Viele unterschiedliche Materialien können als abschleifbare Beschichtungen von Schaufelspitzen verwendet werden, einschließlich Nickel oder Aluminiumoxid, kubisches Bornitrid, verschiedene abschleifbare Karbide, Oxide, Silizide, Nitride und andere Materialien, die in eine Matrix eingebettet sind. Solche Beschichtungen können durch Elektroplattieren, Plasmaspritzen oder auch mit anderen Methoden aufgebracht werden, die im Stand der Technik bekannt und gebräuchlich sind.

Wenngleich es zutreffend ist, daß abschleifbare Schaufelspitzenbeschichtungen den Verschleiß und die Beschädigung der Schaufelspitzen während des Einschleifens der abschleifbaren Dichtung reduzieren, führt der Kontakt zwischen der Schaufelspitze und der abschleifbaren Dichtung zur Verstärkung der ohnehin schon hohen Spannungen an der Schaufelspitze während des Betriebs der Maschine. Wie in Fig. 3 gezeigt, neigt die Schaufelspitze bei einer Resonanzfrequenz zur Deformation. Eine repräsentative Gestalt für einen typischen Resonanzbiegemodus an der Schaufelspitze ist in Fig. 3 gestrichelt gezeigt. Bei dem dargestellten Verhalten deformieren sich die vorlaufende 17 und nachlaufende 18 Kante der Schaufel während der Resonanz abwechselnd nach innen und nach außen, wodurch Biegespannungen über die Dicke der Schaufel hin entstehen. Wie für den Schaufelquerschnitt in Fig. 4 dargestellt, vergrößert sich der Absolutwert der Spannungen 19 von der Mitte der Schaufel aus zu den Schaufelseiten hin. Durch den Kontakt zwischen der Schaufelspitze und der Umfangsdichtung wird die Stärke der Spannungen an der Schaufelspitze weiter erhöht und wird die Neigung zur Rißentstehung und Rißfortsetzung verstärkt.

Durch Beschichtungen der Schaufelspitze werden außerdem die Spannungen an der Schaufelspitze verstärkt, weil jedes der abschleifbaren Teilchen 16 (Fig. 2) als Spannungsverstärker an der Schaufelspitze wirken kann. Durch diese Spannungsverstärker wird ihrerseits die Möglichkeit eines Schaufelschadens durch Rißbildung vergrößert.

Die Anwendung von Beschichtungen der Schaufelspitzen ist insbesondere nachteilig für die Lebensdauer von Schaufeln, die aus sehr rißempfindlichen Materialien sind, wie Titan. Titan ist wegen seiner hohen Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Steifigkeit und seines geringen spezifischen Gewichts eines der bevorzugten Materialien, aus denen Kompressorschaufeln hergestellt werden. Daher sind Verringerungen der Ermüdungsfestigkeit durch Beschichtungen der Schaufelspitzen insbesondere wesentlich für die Herstellung von Langzeitturbinen hohen Wirkungsgrades, die unter Verwendung solcher Materialien hergestellt werden.

Einher mit dem besseren Verständnis der aerodynamischen Prozesse in Gasturbinenmaschinen wird es immer wichtiger, den nachteiligen Effekt von Beschichtungen der Schaufelspitzen auf die Gesamtlebensdauer der Schaufeln zu verringern. Die Schaufeln werden zunehmend dünner und in ihrer Kontur feiner, um die aerodynamische Wirksamkeit zu verbessern. Daher gibt es bei neueren Schaufelkonfigurationen kleinere Flächen an der Schaufelspitze, auf welche abschleifbare Beschichtungen aufgebracht werden können. Durch diese Verringerung der Fläche können Entwicklungen neuer abschleifbarer Beschichtungen zum Einschleifen der Schaufeln in den abschleifbaren Dichtungen erforderlich werden.

In der US-4,802,828 wird eine Gasturbinenschaufel aus einer Superlegierung offenbart, die eine abschleifbare Spitze aus einem Verbundmaterial aus Keramikpartikeln und einer geschmolzenen Metallmatrix aufweist. Die abschleifbare Schicht wird auf den Hauptkörper der Schaufel durch Aufgießen des Verbundmaterials auf die flache Endfläche der Schaufel aufgebracht. Infolge der an der Grenzfläche des halbflüssigen Verbundmaterials auftretenden Oberflächenspannungen erhält die Schicht aus abschleifbaren Materials eine abgerundete Gestalt.

In der US-4,875,831 wird eine Rotorschaufel aus einem nicht abschleifbaren Material offenbart. Die Spitze ist mit einer Dichtlippe versehen, die aus zwei Halblippen besteht. Entlang jeder der einander gegenüberstehenden Seitenflächen der Schaufel ist eine der Halblippen angeordnet, wobei jede der Halblippen sich nur entlang einem Teil der Breite der Seitenfläche erstreckt und die Halblippen bezüglich einer Schaufelmittelebene nicht symmetrisch zueinander angeordnet sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, bei Schaufelspitzen von in engem Kontakt mit einem Gehäuse rotierenden Schaufeln die Neigung zum Rißwachstum zu vermindern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Schaufel mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung kann angewendet werden, das Rißwachstum an der Spitze jeder Schaufel zu verringern. Jedoch ist die Erfindung insbesondere vorteilhaft für Schaufeln mit Beschichtungen der Schaufelspitzen. Weiter kann die Erfindung auf Schaufeln aus jedem Material angewendet werden, jedoch ist sie besonders vorteilhaft zur Verwendung bei Schaufeln, die aus rißempfindlichem Materialien, wie Titanlegierungen, hergestellt sind.

Spannungen an den Schaufelspitzen werden reduziert, indem die Gestaltung der Schaufelspitze geändert wird. Die Schaufelspitzengestalt wird derart geändert, daß die Maximalspannung von der Schaufelspitze weggebracht wird, so daß die Ermüdungsfestigkeit für eine hohe Lebensdauer vergrößert wird.

Dadurch, daß die Schaufelspitzen über wenigstens einen Teil ihrer Breite hin abgefast oder abgeschrägt sind, wird eine Spannungskonzentration an den Schaufelspitzen während des Betriebs der Maschine verringert.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Schaufelspitze gehämmert oder gewalzt, um Druckspannungen in der Schaufelspitze zu erzeugen, die ihrerseits die Ermüdungsfestigkeit der Schaufel vergrößern.

Gemäß der Erfindung wird die abschleifbare Beschichtung, die auf die Schaufelspitze aufgebracht wird, nur in einem Mittelabschnitt der Schaufelspitze aufgebracht, so daß sich daher die Beschichtung nicht bis zu den Seitenflächen der Schaufelspitze erstreckt. Dadurch, daß lediglich der Mittelabschnitt der Schaufelspitze beschichtet wird, werden Spannungskonzentrationen an der Schaufelspitze aufgrund des Vorhandenseins der abschleifbaren Beschichtung reduziert, wodurch die Ermüdungsfestigkeit der Schaufel vergrößert wird. Eine der bevorzugten abschleifbaren Beschichtungen besteht aus kubischen Bornitridpartikeln, die in eine Nickellegierungsmatrix eingebettet sind. Die abschleifbaren Beschichtungen werden durch Elektroplattieren, Plasmaspritzen oder durch andere Verfahren aufgebracht.

Das Verständnis von der Erfindung und ihre Vorteile werden durch die folgende detailierte Beschreibung in Zusammenhang mit der Zeichnung verdeutlicht. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Schaufel aus dem Stand der Technik, die eine abschleifbare Beschichtung an der Schaufelspitze aufweist,

Fig. 2 einen Teillängsschnitt der Schaufel aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Schaufel aus Fig. 1 zur Darstellung eines repesentativen Biegeverhaltens,

Fig. 4 einen Längsschnitt der Schaufel aus Fig. 3 in vergrößertem Maßstab entlang der Schnittlinie 4-4 in Fig. 3 zur Darstellung repräsentativer Spannungswerte über die Dicke der Schaufel hin,

Fig. 5 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Schaufel in vergrößerter Darstellung, wobei dafür repräsentative Spannungswerte dargestellt sind,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Schaufel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 einen Längsschnitt der Schaufel aus Fig. 6 in vergrößertem Maßstab entlang der Schnittlinie 7-7 in Fig. 6,

Fig. 8 eine Stirnansicht der Schaufelspitze der Schaufel aus Fig. 6,

Fig. 9 einen Längsschnitt einer alternativen Ausführungsform aus Fig. 6 in vergrößertem Maßstab entlang der Schnittlinie 7-7 in Fig. 6,

Fig. 10 eine Stirnansicht der Schaufelspitze einer Schaufel gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 11 einen Längsschnitt der Schaufel aus Fig. 10 entlang der Schnittlinie 11-11 in Fig. 10.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Schaufel 14 aus dem Stand der Technik gezeigt, welche eine abschleifbare Beschichtung 10 auf der Schaufelspitze 12 aufweist und für das Schleifen an einer Umfangsdichtung gestaltet ist. Wie oben diskutiert, ist die Schaufel 14 aus dem Stand der Technik insgesamt als Tragflügelprofil zur Verwendung entweder in dem Kompressorteil oder dem Turbinenteil einer Turbinenmaschine (nicht gezeigt) gestaltet. Die abschleifbare Beschichtung 10 der Schaufelspitze enthält abschleifbare Teilchen 16, durch welche Spannungskonzentrationen am Übergang zwischen der abschleifbaren Beschichtung der Schaufelspitze und der Schaufelspitze 12 erzeugt werden. Diese Spannungskonzentrationen tragen ihrerseits dazu bei, daß Risse an der Schaufelspitze 12 während des Maschinenbetriebs gebildet werden und sich fortsetzen.

In den Fig. 5 bis 7 ist eine Schaufel 20 entsprechend einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gemäß der Erfindung ist von der Schaufelspitze Material abgetragen, um die Spannung an der Schaufelspitze zu verringern. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist die Spannungsverteilung 21 durch die Ausbildung von Abfasungen 30 an der Schaufelspitze oder durch anderweitiges Abtragen von Material von der Schaufelspitze geändert. Die maximale Biegespannung entsteht an der Außenfläche der Schaufel. Wenn daher die Kanten der Schaufelspitze 23 abgefast werden, werden die Spannungen an der Schaufelspitze um den Betrag 33 reduziert. Durch diese Reduzierung der Spannungen an der Schaufelspitze werden Beschädigungen der Schaufel reduziert, indem die Möglichkeit reduziert wird, daß sich Risse an der Schaufelspitze bilden und fortsetzen.

Die Erfindung ist anwendbar sowohl auf Kompressorschaufeln als auch Turbinenschaufeln, jeweils mit oder ohne Beschichtung der Schaufelspitze, und ist insbesondere für hochbeanspruchte Titankompressorschaufeln wegen der hohen Empfindlichkeit von Titanlegierungen gegen Rißbildung geeignet.

Die bevorzugte Ausführungsform der Schaufel 20 ist in den Fig. 5 bis 7 in Form eines Tragflügelprofils dargestellt. Die aerodynamische Konfiguration dieser Ausführungsform der Schaufel ist jedoch nicht als Beschränkung gemeint. Tatsächlich ist die Erfindung auf alle unterschiedlichen Formen und Konfigurationen von Schaufeln anwendbar. Die Schaufel 20 weist einen Körper 22 mit einer vorlaufenden Kante 24, einer nachlaufende Kante 26, einer konkaven Seitenfläche 27, einer konvexen Seitenfläche 28 und einer Schaufelspitze 29 auf. Die Begrenzungen des Mittelteils der Schaufelspitze werden von der vorlaufenden Kante 24, der nachlaufenden Kante 26 und die einander gegenüberliegenden Flächen 27 und 28 definiert.

Gemäß der Erfindung erstecken sich Abfasungen oder Abschrägungen 30 wenigstens teilweise entlang der gegenüberliegenden Flächen der Schaufelspitze zwischen der vorlaufenden und der nachlaufenden Kante 24 bzw. 26. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Abfasungen 30 an beiden Flächen 27 und 28 ausgebildet und erstrecken sich über gleiche Strecken hin entlang der einander gegenüberliegenden Schaufelflächen. Jedoch ist die Konfiguration der gezeigten bevorzugten Ausführungsform nicht als Beschränkung aufzufassen und bei alternativen Ausführungsformen können die Abfasungen entlang der einander gegenüberliegenden Flächen der Schaufelspitze über unterschiedliche Strecken hin, rings des gesamten oberen Umrisses der Schaufelspitze oder entlang nur einer Fläche der Schaufel hin verlaufen.

Wie am besten aus den Fig. 6 und 8 ersichtlich, beginnen die Abfasungen 30 bei der bevorzugten Ausführungsform hinter der vorlaufenden Kante 24 der Schaufel und enden vor der nachlaufenden Kante 26 der Schaufel. Wie außerdem am besten aus Fig. 7 ersichtlich, beginnen die Abfasungen gerade unter der Schaufelspitze und verlaufen schräg nach innen zu der Mitte der Schaufel hin. In der bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Abfasungen schräg nach innen in einem Winkel Φ von annähernd 45°. Der in dieser Weise und beschriebene Winkel der Abschrägung soll keine Beschränkung darstellen, jedoch liegt der bevorzugte Winkel Φ der Abschrägung wenigstens annähernd im Bereich von 30 bis 50°. Ferner kann die Abfasung mit mehreren Winkeln oder Flächen verlaufen, die unter Ausbildung der Abfasung aneinandergrenzen. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Strecke 42 (gemessen in Längsrichtung der Schaufel), über welche sich die Abfasung hin erstreckt, annähernd 8 bis 15 mils (0,20 bis 038 mm). Jedoch sind die dargestellten Abmessungen der Abfasung nicht als Beschränkung anzusehen und andere Abfasungswinkel und Längen können in alternativen Ausführungsformen verwendet werden.

Der Winkel Φ der Abfasung und die Strecke 42, über welche hin die Abfasung sich erstreckt, stellt eine Optimierung zwischen der an der Schaufelspitze gewünschten Verringerung der Spannungskonzentration und der Flächengröße der Schaufelspitze dar, die nach dem Abfasen verblieben ist. Durch die Größe der Oberfläche, die an der Schaufelspitze nach dem Abfasen verbleibt, wird die Größe des Flächenbereichs bestimmt, auf den eine Beschichtung der Schaufelspitze aufgebracht werden kann. Von dieser Grenze wird ihrerseits der Oberflächenbereich der Beschichtung der Schaufelspitze bestimmt, der für das Einschneiden in die abschleifbaren Außendichtungen während der Einschleifprozeduren zur Verfügung steht. Falls ein unzureichender Flächenbereich nach dem Abfasen verbleibt, ist es möglich, daß die Beschichtung der Schaufelspitze durch den Kontakt mit der abschleifbaren Außendichtung verschleißt, bevor der Einschleifvorgang beendet ist. Andererseits wird durch ein unzureichendes Abfasen das Maß der Spannungsentlastung reduziert, wodurch möglicherweise die Vorteile der Erfindung reduziert werden, wie im einzelnen unten diskutiert.

Abschleifbare Beschichtungen der Schaufelspitzen können aus zahlreichen unterschiedlichen Materialien sein, einschließlich Aluminiumoxid, kubischem Bornitrid, diversen abschleifbaren Karbiden, Oxiden, Siliziden, Nitriden oder anderen geeigneten Materialien, die den strengen Bedingungen gewachsen sind, unter denen die Schaufeln betrieben werden. Diese Beschichtungen können durch Elektroplattieren, Plasmaspritzen oder durch andere geeignete Aufbringungsmethoden aufgebracht werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Beschichtung aus kubischen Bornitridteilchen, die in einer Nickellegierungsmatrix eingebettet sind, auf die Schaufelspitzen durch Elektroplattieren aufgebracht.

Durch das Anpassen des Winkels Φ der Abfasung und der Strecke 42, über welche hin sich die Abfasung erstreckt, wird das Optimum zwischen der erforderlichen Schaufelspitzenfläche und der erforderlichen Spannungsentlastung bestimmt. Wenn ein steilerer Abfasungswinkel verwendet wird, verbleibt eine größere Fläche der Schaufelspitze, wodurch ein größerer Flächenbereich vorhanden ist, auf welchen eine abschleifbare Beschichtung aufgebracht werden kann. Durch eine Vergrößerung des Abfasungswinkels oder der Abfasungsbreite kann der Ort der Spannungskonzentration weiter nach unten von der Schaufelspitze weg verlagert werden und durch diesen Effekt wird ihrerseits die Spannungskonzentration am Übergang zwischen der Beschichtung 46 der Schaufelspitze und dem Körper 22 der Schaufel vermindert, so daß die Neigung der Schaufel zur Entstehung und Vergrößerung von Rissen vermindert wird. Die Abmessungen der Abfasung ist für unterschiedliche Schaufelformen unterschiedlich; für jede neue Schaufelgestaltung ist es daher notwendig die Abmessungen der Abfasung zu optimieren.

Wie am besten aus Fig. 8 ersichtlich, erstreckt sich die Abfasung entlang der gegenüberliegenden Seitenkanten der Schaufelspitze über eine Strecke 32 hin. In der bevorzugten Ausführungsform hat die Strecke 32 die Größe von annähernd 75 bis 90% der Gesamtbreite der Schaufel. Jedoch kann sich die Abfasung je nach der Schaufelkonfiguration über andere Teilmaße der Gesamtschaufelbreite hin oder rings des gesamten Umrisses der Schaufel erstrecken, ohne die Wirksamkeit der Erfindung zu beeinträchtigen. Wie der Abfasungswinkel ist die Strecke, über welche hin sich die Abfasung erstreckt, bestimmend für die Größe der verfügbaren Fläche an der Schaufelspitze, auf welcher eine Beschichtung aufgebracht werden kann, und die Größe der gewünschten Spannungsreduzierung an der Schaufelspitze. Die Länge der Abfasung muß ausreichend sein, um die Spannungen in den am höchsten beanspruchten Bereichen der Schaufelspitze zu reduzieren. Im allgemeinen ist der Mittelteil entlang der Schaufelspitze stärker beansprucht als die vorlaufende und die nachlaufende Kante.

Es ist auch erwünscht, eine abgerundete Auskehlung 34 an den vorlaufenden und den nachlaufenden Enden der Abfasungen vorzusehen. Durch eine solche Auskehlung werden scharfe Schaufelkonturen vermieden, durch welche die Spannungskonzentrationen an der Schaufelspitze vergrößert werden könnten. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein Krümmungsradius von 0,047 bis 0,078" (0,0194 bis 0,0198 mm) verwendet; es können jedoch auch andere Radien verwendet werden, je nach Schaufelkonfiguration und Materialien. Die Abfasungen können mit Hilfe zahlreicher bekannter Schleif- oder Fräsmethoden ausgearbeitet werden.

In der in den Fig. 6 bis 8 gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird die abschleifbare Beschichtung 46 nach dem Abfasen aufgebracht, so daß die abschleifbare Beschichtung selbst nicht abgefast wird. Das Abfasen der Schaufel vor dem Aufbringen der abschleifbaren Beschichtung wird bevorzugt, weil dadurch die Handhabung und Herstellung der Schaufel vereinfacht werden. Es ist vorteilhaft die Schaufelspitze einschließlich der Abfasungen zu hämmern oder zu walzen, um Druckspannungen in dem abgefasten Bereich zu erzeugen. Durch diese Druckspannungen wird die Möglichkeit einer Rißbildung und Rißfortsetzung vermindert, wodurch die Lebensdauer der Schaufel vergrößert wird. Falls das Hämmern oder Walzen nach dem Aufbringen der abschleifbaren Beschichtung erfolgt, könnte die abschleifbare Beschichtung während des Hämmer- oder Walzvorgangs beschädigt werden. Das Aufbringen der abschleifbaren Beschichtung nach dem Abfasen trägt auch dazu bei, eine Beschädigung der abschleifbaren Beschichtung während des Abfasprozesses zu verhindern.

In der in Fig. 9 gezeigten alternativen Ausführungsform wurde die abschleifbare Beschichtung 46 vor dem Abfasen auf die Schaufelspitze aufgebracht. Daher ist diese abschleifbare Beschichtung ebenfalls abgefast. Wie bei der bevorzugten Ausführungsform ist es dann vorteilhaft, die Schaufel zu walzen oder zu hämmern. Wenngleich das Abfasen vor dem Beschichten aufgrund von Herstellungsüberlegungen vorgezogen wird, werden durch ein Beschichten vor dem Abfasen Spannungen an der Schaufelspitze reduziert, was durch die Erfindung ebenfalls umfaßt ist.

Nur zur Erläuterung wird bei den beispielgebenden Ausführungsformen der Erfindung eine Beschichtung 46 aus Teilchen aus kubischem Bornitrid in einer Nickellegierungsmatrix verwendet. Die Beschichtung der Schaufelspitze hat eine mittlere Dicke von 3 bis 15 mil (0,076 bis 0,381 mm). Die Schaufelspitze wird vor dem Beschichten der Schaufelspitze in einem Winkel von 45° abgefast und erstreckt sich über annähernd 75 bis 80% der Schaufelbreite hin. Ferner hat die Strecke 42, über welche hin sich die Abfasung in Längsrichtung der Schaufel erstreckt, eine Länge von etwa 8 bis 15 mil (0,203 bis 0,381 mm).

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist aus den Fig. 10 und 11 ersichtlich. Bei dieser Ausführungsform werden Abfasungen zur Reduzierung der Spannungskonzentrationen an der Schaufelspitze nicht verwendet. Stattdessen ist eine abschleifbare Beschichtung 68 nur in dem Mittelbereich der Schaufelspitze aufgebracht und die abschleifbare Beschichtung beginnt in kleinem Abstand hinter der vorlaufenden Kante 60 und endet in kleinem Abstand vor der nachlaufenden Kante 62 und außerdem erstrecken sich die Seitenränder der abschleifbaren Beschichtung nicht über die gesammte Dicke der Schaufel bis zu den einander gegenüberliegenden Flächen 64 und 66 hin. Daher ist die Beschichtung 68 der Schaufelspitze auf den Mittelbereich der Schaufelspitze beschränkt und die Umfangsränder der Beschichtung der Schaufelspitze sind gegen die benachbarten Begrenzungen der Schaufelspitze versetzt. Wie durch ein Abfasen werden durch diese alternative Ausführungsform der Erfindung die Spannungskonzentrationen am Übergang zwischen dem Körper der Schaufel und der Beschichtung der Schaufelspitze vermindert. Da diese Beschichtung der Schaufelspitze auf den Mittelbereich der Schaufelspitze beschränkt ist, wird ein Beitrag zur Reduzierung von Spannungskonzentrationen an den am höchsten beanspruchten Kanten der Schaufelspitze geleistet, so daß die Lebensdauer der Schaufel verlängert wird.

Die Erfindung ist auch anwendbar auf andere Schaufelkonfigurationen ohne Beschichtung der Schaufelspitze. Wie im Hinblick auf die bevorzugte Ausführungsform erläutert, wird es durch Abfasen der Schaufelspitze oder durch anderweitiges Abtragen von Material von der Schaufelspitze ermöglicht, die Spannungen an der Schaufelspitze zu reduzieren. Hierdurch wird seinerseits die Möglichkeit vermindert, daß Schaufelfehler aufgrund von Rißentstehung oder Rißfortsetzung an der Schaufelspitze auftreten, sei es nun mit oder ohne Vorhandensein einer Beschichtung.

Claims (8)

1. Schaufel (20) einer Turbinenmaschine, wobei die Schaufel (20) mit einer Umfangsdichtung in Kontakt steht, mit:

• a) einem Fuß und einer Schaufelspitze (29), die eine vorlaufende (24, 60) und eine nachlaufende (26, 62) Kante, einander abgewandte Seitenflächen (27, 28, 64, 66) und einen Mittelteil aufweist, der von der vorlaufenden (24, 60) und der nachlaufenden (26, 62) Kante sowie den einander abgewandten Seitenflächen (27, 28, 64, 66) begrenzt ist, und
• b) einer abschleifbaren Beschichtung (46, 68), die auf dem Mittelteil der Schaufelspitze (29) entlang einer Verbindungsfläche zwischen der Beschichtung (46, 68) und dem Mittelteil der Schaufelspitze (29) derart angeordnet ist, daß die Verbindungsfläche jeweils um einen wesentlichen Abstand relativ zu den einander abgewandten Seitenflächen (27, 28, 64, 66) zurückgesetzt ist, wobei die Beschichtung (46, 68) wenigstens einen Teilabschnitt des Mittelteils zwischen der vorlaufenden (24, 60) Kante und der nachlaufenden (26, 62) Kante überdeckt.

2. Schaufel (20) nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (46, 68) im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet ist.

3. Schaufel (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der seitliche Übergang zwischen jeder Seitenfläche (27, 28, 64, 66) und der Verbindungsfläche wenigstens über eine Teillänge hin abgeschrägt ist.

4. Schaufel (20) nach Anspruch 3, wobei die Beschichtung (46) über die Teillänge hin im Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist.

5. Schaufel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Beschichtung (46, 68) in eine Nickellegierungsmatrix eingebettete Teilchen aus kubischem Bornitrid aufweist.

6. Schaufel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schaufelspitze (29) gehämmert oder gewalzt ist.

7. Schaufel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtung (46, 68) durch Elektroplatierung aufgebracht ist.

8. Schaufel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtung (46, 68) durch Plasmaspritzen aufgebracht ist.