DE60203455T2

DE60203455T2 - Verfahren zur Herstellung von Zungen einer Labyrinthdichtung für bewegliche Teile einer Turbine

Info

Publication number: DE60203455T2
Application number: DE60203455T
Authority: DE
Inventors: Gerard Gueldry; Claude Mons
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2022-08-14
Also published as: US20030062256A1; DE60203455D1; US20040222595A1; FR2829524A1; EP1291494B1; FR2829524B1; US6783642B2; EP1291494A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft das Herstellen von Labyrinthzungen beweglicher (rotierender) Teile von Turbomaschinen, insbesondere von Rotoren für Gasturbinen bei Flugzeugmotoren.
In derartigen Gasturbinen müssen die Spiele zwischen den radialen Enden von beweglichen Teilen und festen Teilen, die gegenüber angeordnet sind, oft soweit wie möglich reduziert werden, um die Leistung nicht zu beeinträchtigen. Dasselbe gilt zwischen den Spitzen von beweglichen Schaufeln und einem festen Ring, der diese umgibt, sowie zwischen dem Umfang eines Rotors und den Spitzen von festen Schaufeln, die um den Rotor angeordnet sind. Um dem direkten Gasdurchgang zwischen den Spitzen der festen Schaufeln und dem Rotor entgegenzuwirken, ist auch bekannt, am Umfang von letzterem ringförmige vorstehende Abschnitte oder Zungen auszubilden, welche – zumindest einige von ihnen – einen gewundenen Verlauf oder ein Labyrinth definieren können.
Die Enge des Spiels zwischen festen und beweglichen Teilen sowie Abmessungsschwankungen, die thermischen Ursprungs sind, führen dazu, daß die radialen Endabschnitte der beweglichen Teile mit den festen Teilen in Berührung kommen können. Um zu verhindern, daß sich solche Berührungen oder Reibungen als schädlich erweisen, ist bekannt, die festen Teile mit einem so genannten „abtragbaren" Werkstoff zu überziehen, der eine geringere Lebensdauer als die radialen Endabschnitte der beweglichen Teile aufweist. Somit dringen im Fall einer Berührung die Endabschnitte der beweglichen Teile in den abtragbaren Werkstoff durch Verschleiß desselben ein, und ein Mindestspiel kann zwischen festen und beweglichen Teilen aufrechterhalten werden. Die abtragbaren Werkstoffe sind Werkstoffe auf metallischer Basis, zum Beispiel auf Basis von Nickel, Kobalt oder Eisen, die mit dem Werkstoff, aus dem die festen Teile bestehen, kompatibilen sind. Der abtragbare. bare Charakter kann dadurch erhalten werden, daß den Werkstoffen eine bestimmte Porosität verliehen wird.
Titan ist ein Werkstoff, der immer häufiger für die Herstellung von beweglichen Teilen, insbesondere Rotoren, in Gasturbinen von Flugzeugmotoren verwendet wird. Die Hochenergiekontakte zwischen den Werkstoffen, welche Titan enthalten, und den Werkstoffen, die zum Beispiel Nickel enthalten, führen zur Ausbildung von zerbrechlichen Eutektika mit niedrigem Schmelzpunkt und starker Erstarrungsschwindung, die imstande ist, Anrisse hervorzurufen. Diese können durch Ausbreitung zu Ermüdungsrissen des Metalls führen, welche die Zerstörung der beweglichen Teile zur Folge haben können.
Aus diesem Grund ist es bekannt, die Endabschnitte von beweglichen Teilen aus Titan oder einer Titanlegierung mit einer Schutzschicht zu überziehen, welche einen direkten Kontakt zwischen dem Titan und dem abtragbaren Werkstoff der festen Teile verhindert. Eine solche Schutzschicht ist im Allgemeinen von keramischer Art, welche einen abrasiven Charakter aufweist, typischer Weise handelt es sich dabei um Aluminiumoxid. Die Schutzschicht wird auf den Endabschnitten der beweglichen Teile, insbesondere auf den Rotor-Labyrinthzungen durch thermisches Spritzen mit Hilfe eines Trägergases mit großer Geschwindigkeit ausgeführt, wobei die Dicke der Schutzschicht im Allgemeinen auf 0,1 oder 0,2 mm begrenzt ist. Die US-Patentschrift 5,223,332 beschreibt eine solche Schutzschicht.
Im Fall von Rotoren, die aus untereinander verschweißten Abschnitten gebildet sind, wie Rotor 1 in 1, muß die Schutzschicht der Zungen 2, 2' und insbesondere der Labyrinthzungen 2 nach der Montage des Rotors ausgeführt werden, um eine Beschädigung der Schutzschicht während des Schweißens zu verhindern. Somit machen die Form der Labyrinthzungen 2 und ihre Anordnung zwischen den beweglichen Schaufeln 3, die in Bezug auf die Schweißverbindungsebene 4 versetzt sind, es sehr schwer, sprich praktisch unmöglich, eine vollständig zufriedenstellende Schutzschicht auf den beiden Seiten der Zungen herzustellen, das heißt eine Schutzschicht, welche gewährleistet, daß es zu keinem Kontakt zwischen dem Titan des Werkstoffes, aus dem der Rotor 1 besteht, und dem abtragbaren Werkstoff 5 kommt, mit dem die Spitze der festen Schaufeln 6 gegenüber den Zungen 2 versehen ist.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Labyrinthzungen am Umfang eines beweglichen Teils aus metallischem Werkstoff einer Turbomaschine bereitzustellen, insbesondere – jedoch nicht ausschließlich – eines Teils, das im Wesentlichen aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellt wird und welches nicht die Nachteile des oben genannten Stands der Technik aufweist und insbesondere ermöglicht, jegliches Risiko eines Kontaktes mit Bildung von Eutektikum zwischen dem metallischen Werkstoff des beweglichen Teils und einem eventuellen abtragbaren Werkstoff zu vermeiden, der durch ein benachbartes festes Teil getragen wird, und dies unabhängig von der Form und Anordnung der Zungen.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß vor der Montage des beweglichen Teils auf diesem eine Schicht mit einer Dicke von mindestens 1 mm aus an dem metallischen Werkstoff haftendem, feuerfestem Material gebildet wird, wobei das feuerfeste Material eine Mischung aus wenigstens einem Metall und aus wenigstens einer Keramik enthält und in der dicken Schicht aus feuerfestem Material Labyrinthzungen auf ihre Endabmessungen bearbeitet werden.
Das feuerfeste Material wird derart ausgewählt, daß es mit dem metallischen Werkstoff des beweglichen Teils kompatibel, das heißt in der Lage ist, sich auf dem metallischen Werkstoff an der Oberfläche desselben zu verankern und einen Wärmedehnungskoeffizienten aufweist, der nahe bei jenem des metallischen Werkstoffs liegt.
Das feuerfeste Material wird natürlich ebenfalls derart gewählt, daß es keine schädlichen Eutektika durch den Hochenergiekontakt mit einem abtragbaren Werkstoff erzeugt. Vorzugsweise enthält das feuerfeste Material somit kein Titan.
Insbesondere – jedoch nicht ausschließlich – enthält das feuerfeste Material, wenn der metallische Werkstoff des beweglichen Teils im Wesentlichen aus Titan oder einer Titanlegierung besteht, vorzugsweise ein Metall, wie beispielsweise Eisen, Nickel oder Kobalt, sowie eine Keramik, die zum Beispiel aus feuerfesten Oxiden, Karbiden, Boriden oder Nitriden ausgewählt wird, insbesondere wenigstens eine Keramik mit einem abrasiven Charakter, typischer Weise Aluminiumoxid, Siliziumkarbide oder Wolframkarbide oder Bornitride.
Die Schicht aus feuerfestem Material weist eine Dicke auf, die so ausgewählt wird, daß sie das Bearbeiten der Labyrinthzungen der beweglichen Teile in dieser Dicke ermöglicht. Die Dicke der gebildeten Schicht ist vor dem Bearbeiten größer als 1 mm, typischer Weise liegt sie zwischen 3 und 8 mm.
Die Schicht aus feuerfestem Material liegt vorteilhafter Weise in Form von agglomeriertem Pulver oder einer Mischung aus agglomerierten Pulvern vor. Sie kann mittels thermischem Spritzen gebildet werden, insbesondere durch Plasmaabscheidung oder durch Löten auf dem metallischen Werkstoff.
Die Erfindung betrifft auch ein bewegliches Teil, das einen Turbomaschinenrotor ausbildet, der Labyrinthzungen aufweist, so wie sie durch das zuvor definierte Verfahren erhalten werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung, die beispielhaften aber nicht einschränkenden Charakter hat, und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verstanden werden, in welchen:
1, die bereits beschrieben wurde, eine teilweise Halbschnittansicht eines Abschnitts einer Turbomaschine mit einem Rotor ist, der mit Labyrinthzungen gemäß des Stands der Technik versehen ist,
2A bis 2C aufeinanderfolgende Schritte zur Herstellung von Labyrinthzungen eines Abschnitts eines Turbomaschinenrotors gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigen und
3 eine Ausführungsform des Verfahrens der 2A bis 2C ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
2A zeigt einen Abschnitt eines Rotors 10 einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine eines Flugzeugmotors. Dabei handelt es sich zum Beispiel um einen Abschnittsteil des Rotors vor seinem Verschweißen mit einem oder mehreren anderen Abschnitten, um einen verschweißten Rotor auszubilden, wie den Rotor 1 in 1. Der Abschnitt des Rotors 10 ist dazu bestimmt, gegenüber einer Spitze einer festen Schaufel angeordnet zu werden, die mit einer abtragbaren Schicht im Abschnitt des Hochdruckkompressors der Turbomaschine versehen ist.
Der Rotor 10 besteht aus einem metallischen Werkstoff, zum Beispiel im Wesentlichen aus Titan oder einer Titanlegierung.
Wie in 2B zu sehen, wird eine dicke Schicht 12 aus feuerfestem Material auf dem Abschnitt des Rotors 10 ausgebildet.
Die Schicht 12 besteht aus einem Werkstoff, der einerseits mit dem metallischen Werkstoff des Rotors 10 kompatibel ist und sich andererseits für die Herstellung von Zungen eignet, zum Beispiel von Labyrinthzungen, welche mit einem abtragbaren Werkstoff, der von einer Spitze einer festen Schaufel getragen wird, die gegenüber dem Abschnitt des Rotors 10 angeordnet ist, nach der Montage desselben in Kontakt treten können.
Das feuerfeste Material enthält vorteilhafter Weise einen Werkstoff auf metallischer Basis, vorzugsweise kein Titan, sondern Eisen, Kobalt, Nickel oder eine Legierung dieser, und wenigstens eine Keramik. Die Keramik oder Keramiken wird/werden aus feuerfesten Oxiden, Karbiden, Nitriden, Boriden ausgewählt, vorzugsweise, um dem Material einen abrasiven Charakter zu verleihen. Ein solcher abrasiver Charakter kann dank der Gegenwart von Aluminiumoxid oder auch von Silizium- oder Wolframkarbiden erzielt werden.
Typische Zusammensetzungen von feuerfestem Material auf der Basis von Nickel (in Masseprozentanteilen) sowie die Rockwell-C-Härte (HRc) werden in nachstehender Tabelle angeführt.
Die Schicht 12 wird durch physische Abscheidung ausgebildet, vorteilhafter Weise mittels thermischem Spritzen, ausgehend von Pulvern verschiedener, eng vermischter Bestandteile. Zu diesem Zweck eignen sich bekannte Verfahren der Plasmaabscheidung, wie solche mit geschlossenem Bogen oder unter partiellem Druck. Die Pulver, die vorzugsweise eine relativ geringe Granulometrie aufweisen, das heißt eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als 100 Mikron, werden durch gasförmiges Plasma bis an die Oberfläche des Abschnitts des Rotors 10 mitgeführt. Eine relative Rotationsbewegung zwischen dem Abschnitt des Rotors 10 und der Abscheidungsvorrichtung ermöglicht die Ausbildung einer ringförmigen Schicht 12 auf dem gesamten Umfang des Abschnitts des Rotors 10.
Wie das Bezugszeichen 14 in 2B zeigt, verbreitet sich das feuerfeste Material der Schicht 12 lokal im metallischen Werkstoff des Abschnitts des Rotors 10, wodurch die Verankerung der Schicht 12 mit starker Haftung gewährleistet wird.
Nach dem Abscheiden der Schicht 12 wird diese bearbeitet, um die Zungen 20 auszubilden, welche innerhalb des feuerfesten Materials (2C) präzise Abmessungen aufweisen. Die Dicke des feuerfesten Materials wird hier so gewählt, daß sie wenigstens gleich oder sogar etwas größer als die Höhe der Zungen ist, so daß diese zur Gänze in dem feuerfesten Material ausgebildet sind. Somit wird ein eventueller Kontakt in Betrieb zwischen dem metallischen Werkstoff des Abschnitts des Rotors 10 und einem gegenüber liegenden abtragbaren Material ausgeschlossen.
Die Dicke der Schicht 12 liegt somit vorzugsweise zwischen 2 mm und 8 mm, gemäß der für die Zungen gewünschten Größe. Typischer Weise kann diese Dicke 4 mm bis 5 mm betragen.
Man wird feststellen, daß die Dicke der Schicht des feuerfesten Materials etwas geringer als die Höhe der Zungen 20 sein könnte, wobei diese jedoch weiterhin aus einem feuerfesten Material ausgehend von ihrer Spitze und auf dem Großteil ihrer Höhe hergestellt werden. Eine solche Anordnung wird in 3 gezeigt.
Nach der Bearbeitung der Zungen 20 kann die Montage des Rotors durchgeführt werden. Da die Zungen zur Gänze (oder beinahe zur Gänze) aus feuerfestem Material hergestellt werden, kann ein eventueller Arbeitsschritt zum Schweißen des Abschnitts des Rotors, der die Zungen trägt, im Unterschied zu einer dünnen Schutzschicht nicht zu deren Schädigung führen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Labyrinthzungen am Umfang eines beweglichen Teils aus metallischem Werkstoff für eine Turbomaschine, bei dem vor der Montage des beweglichen Teils auf diesem eine Schicht aus an dem metallischen Werkstoff haftendem, feuerfestem Material gebildet wird, wobei das feuerfeste Material eine Mischung aus wenigstens einem Metall und aus wenigstens einer Keramik enthält, und in der dicken Schicht aus feuerfestem Material Labyrinthzungen auf ihre Endabmessungen bearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Dicke von wenigstens 1 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Material der Schicht wenigstens ein Metall ausgewählt aus Eisen, Kobalt und Nickel, sowie wenigstens eine Keramik enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik ausgewählt ist aus feuerfesten Oxiden, Karbiden, Nitriden und Boriden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Material Aluminiumoxid enthält.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Material der Schicht in Form von agglomeriertem Pulver oder einer Mischung aus agglomerierten Pulvern vorliegt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus feuerfestem Material durch Abscheidung mittels thermischem Spritzen gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus feuerfestem Material durch Plasmaabscheidung gebildet ist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus feuerfestem Material durch Löten auf den metallischen Werkstoff gebildet ist.
Einen Turbomaschinenrotor bildendes bewegliches Teil aus metallischem Werkstoff, das an seinem Umfang Labyrinthzungen aufweist, wobei die Zungen in der Dicke einer Schicht aus an dem metallischen Werkstoff haftendem, feuerfestem Material bearbeitet werden, wobei das feuerfeste Material eine Mischung aus wenigstens einem Metall und aus wenigstens einer Keramik enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Dicke von wenigstens einem 1 mm aufweist.
Bewegliches Teil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus Eisen, Kobalt und Nickel ausgewählt ist.
Bewegliches Teil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik aus feuerfesten Oxiden, Karbiden, Nitriden und Boriden ausgewählt ist.
Bewegliches Teil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Material Aluminiumoxid enthält.